Transmissietechniek in motorvoertuigen (3)

Transcriptie

1 Transmissietechniek in motorvoertuigen (3) E. Gernaat (ISBN ) 1 Automaat met koppelomvormer en planetairstelsel De automatische versnellingsbak is een mechanische versnellingsbak die in samenwerking met een koppelomvormer binnen vaste overbrengverhoudingen een vrijwel traploze overbrenging mogelijk maakt 1. De versnellingsbak kiest automatisch de juiste overbrengverhouding aan de hand van de belangrijkste parameters als de stand van het gaspedaal, de rijsnelheid en het toerental van de motor. Er worden wel de volgende drie rijprogramma s onderscheiden: Economisch rijden De motor draait in het midden-toerengebied en de automaat schakelt bij ongeveer 20 km/uur van de 1e trap naar de 2e trap en vervolgens naar de 3e trap. Een minimaal verbruik staat centraal. Snel wegtrekken De snelheid waarmee het gaspedaal wordt ingetrapt wordt geregisteerd. De automaat schakelt later zodat bijv. pas bij 40 km/uur de 2e trap wordt geselecteerd. Ook de 3e trap en latere trappen komen dienovereenkomstig later. Op deze wijze wordt een grotere acceleratie verkregen. Plankgas wegtrekken (kick-down) Men geeft volgas, dat wil zeggen, het gaspedaal wordt door de onderste stand heengeduwd. Daardoor komt het maximale vermogen van de motor beschikbaar. Men krijgt dan de maximale acceleratie van de auto omdat de automaat voor de meest optimale overbrengverhouding in relatie tot de trekkracht zorgt. De selectiehefboom voor de automaat kent veelal een aantal verschillende standen, tenminste 3 meestal meer voor het vooruit rijden, 1 achteruit, 1 vrijstand en een parkeerstand (fig. 1). Het starten van de motor is slechts in de vrijloopstand N (Neutraal) en parkeerstand (P) mogelijk. Het inschakelen naar D kan soms alleen maar gebeuren wanneer het rempedaal is ingetrapt. Het afremmen op de motor tot stilstand is in alle rij-keuzestanden mogelijk zonder dat de motor afslaat. Alle vooruit-versnellingen zijn gedurende het rijden inschakelbaar. 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing 1

2 Figuur 1: Voorbeeld van een selectiehefboom van een automatische versnellingsbak. Stand P (Parking) De parkeerstand wordt geselecteerd nadat de auto tot stilstand is gekomen. Door een vergrendelmechanisme in de versnellingsbak staat de auto in een geblokkeerde toestand. Stand R (Reverse) De achteruitversnelling kan slechts bij stilstaand voertuig worden gekozen. Bij een aantal systemen verhindert een mechanische sperinrichting dat selectie plaatsvindt gedurende het rijden. Stand N (Neutral) Deze stand is de vrijloopstand. De motor en de wielen hebben geen verbinding meer. N is een stand om de auto te starten. Stand D (Drive) De meest gebruikte rijkeuzestand. Het wegrijden geschiedt automatisch in de 1e versnelling. Afhankelijk van de acceleratie schakelt de versnellingsbak automatisch. Standen 1, 2, 3 etc In de gekozen stand schakelt de automaat niet verder op dan de keuzestand. Bijv. bij een viertrapsautomaat en een keuzestand 3 schakelt de automaat geheel automatisch tot de derde trap. De vierde trap wordt niet gebruikt. Deze stand zou bijv. in de bergen tijdens afdalingen kunnen worden gebruikt. Stand 1 kan worden gebruikt bij het rijden van bergpassen en het nemen van steile hellingen of bij het in/uitrijden van garages etc. De automaat selecteert uitsluitend de eerste versnelling, waardoor de auto slechts langzaam rijdt of er nu veel of weinig gas wordt gegeven. 2

3 2 Algemene beschrijving van een automatische versnellingsbak Als voorbeeld de doorsnede van de ZF-automaat 4 HP 22 met elektronischhydraulische besturing. Fig. 2 geeft de opstelling van de verschillende onderdelen. De gehele automatische versnellingsbak bestaat uit een aantal hoofdcomponenten, te weten: De hydrodynamische koppelomvormer (1,2, 3,17 ); Drie planetaire stelsels voor vier versnellingen (9 en 10); Verschillende koppelingen (4 t/m 8) ; Een hydraulische besturingsgedeelte dat momenteel uitsluitend elektronisch wordt aangestuurd. De hoofdonderdelen van de koppelomvormer zijn: pompwiel (P); turbinewiel (T); statorwiel (R) met vrijloop 17; lock-up koppeling (2). Figuur 2: Doorsnede van een automatische versnellingsbak de ZF 4HP22 De gehele unit is gesloten en met olie gevuld. De olie, of beter gezegd, de oliestroom van de koppelomvormer, zorgt voor de overbrenging van het motorkoppel naar de viertrapsversnellingsbak. De koppelomvormer vervangt niet alleen de droge plaatkoppeling maar zorgt ook nog voor een vergroting van het koppel. Achter de in alle versnellingen werkzame koppelomvormer zijn een drietal planetaire tandwielstelsel (9 en 10) gemonteerd met vier versnellingen 3

4 vooruit en één achteruit. Als schakelelementen dienen de hydraulische lamellenkoppelingen (4 t/m 8). Door de ingebouwde vrijloopsystemen (15 en 16) geschiedt het overschakelen zonder dat het motorkoppel wordt onderbroken. In het voordeksel van de bak bevindt zich de oliepomp die de koppelomvormer, de hydraulische besturingseenheid en de tandwielstelsels van olie voorziet. De besturingseenheid met o.m. de selectieplunjer, de stuurplunjers en de drukregelkleppen is in het onderste gedeelte van het versnellingshuis ondergebracht (niet zichtbaar). De schakelmomenten zijn in hoofdzaak afhankelijk van de stand van het gaspedaal, de stand van de keuzeselektor en de rijsnelheid van de auto. Een impulsgever, die gemonteerd is op de uitgaande as van de versnellingsbak, geeft impulsen af die afhankelijk zijn van de snelheid van de auto. Het gehele systeem werkt elektrisch-hydraulisch en wordt bestuurd door een microcontroller. 3 De vloeistof-koppelomvormer Hoewel men kan stellen dat de koppelomvormer de taak van de droge plaatkopeling overneemt zijn er wat betreft de constructie en principiële werking grote verschillen. De klassieke plaatkoppeling doet het wat betreft zijn overbrengingsrendement niet echt goed. Uit de formule P = M x ω kan worden geconcludeerd dat bij gelijkblijvend vermogen en vermindering van het toerental het koppel dienovereenkomstig groter wordt. Dit geldt voor een versnellingsbak maar zou natuurlijk ook voor een goed geconstrueerde koppeling moeten gelden. In fig. 3 is het rendement weergegeven van een aantal verschillende koppelingen. De droge plaatkoppeling heeft als eigenschap dat het koppel aan de ene kant (de motorzijde) van de koppelingsplaat nooit groter kan worden dan aan de andere kant (de versnellingsbak zijde). De veerspanning van de drukgroep bepaalt het maximum over te brengen koppel. In formulevorm: M in x ω ingaand = M uit x ω uitgaand M in = M uit Dit betekent dat bij een gelijkblijvend koppel met een toerenverschil een vermogensverlies optreedt en er derhalve sprake is van een vermindering van het rendement. Algemeen geldt er: Rendement (η) = P uit / P in en wanneer M in = M uit geldt Rendement (η) = ω uit / ω in = n uit / n in Tijdens het wegtrekken is het toerenverschil het grootst en het rendement het laagst. Wanneer er geen toerentalverschil meer aanwezig is, is het rendement 100 %. De lijn a in fig. 3 laat de rendementslijn van de plaatkoppeling zien. Een ideale koppeling zou een rendement moeten hebben van 100 %, dat betekent dat het toerenverschil gecompenseerd wordt door het koppelverschil. Immers volgens: P = M in x ω ingaand = M uit x ω uitgaand 4

5 100 % rendement d b c a = rendement plaatkoppeling b = ideale koppeling c = vloeistofkoppeling d = koppelomvormer 50% a 0,0 0,5 1,0 n versn. bak / n motor Figuur 3: Rendementslijnen van verschillende soorten koppelingen zal wanneer het uitgaande toerental lager is dan het ingaande toerental het koppel van het uitgaande toerental hoger moeten zijn dan het ingaande koppel wil men P (het vermogen) gelijkhouden. Lijn b geeft dan ook het rendement weer van een ideale koppeling. Volledigheidshalve wordt in de grafiek van fig. 3 ook nog de vrijwel niet meer toegepaste vloeistofkoppeling weergegeven. Deze vloeistofkoppeling benaderde wat rendement betreft de plaatkoppeling. Het rendement stortte echter volledig in bij het benaderen van de volledige koppeling. In dat theoretische geval zou de oliestroom worden onderbroken waardoor de aandrijving weg zou vallen en het rendement op nul zou uitkomen. Uit het beschrevene zou het mogelijk moeten zijn om constructief een koppeling te maken die koppelvergrotenden eigenschappen bezit en dus een groter rendement laat zien, bijv. een rendement verlopend volgens lijn d. Wel, dit doet de vloeistof-koppelomvormer door eerst het motorvermogen om te zetten in kinetische- of bewegingsenergie (E k ) van een oliestroom en vervolgens deze oliestroom tegen schoepen te laten botsen. Anders gezegd het arbeidvermogen van beweging (E k ) wordt omgezet in arbeidsvermogen van plaats of potentiële energie (E p ). In formulevorm: E k = 0,5 mv 2 (Nm) en E p = mgh of (Nm) E k = E p = C 5

6 De laatste formule is de zgn. wet van behoud van arbeidsvermogen. Theoretisch zou dat betekenen dat een rendement van 100 % zou kunnen worden verkregen. Dat het rendement van de koppelomvormer aanzienlijk lager is dan 100 % wordt veroorzaakt door de stromings- en botsingsverliezen van de oliestroom. 3.1 Constructie en werking van de koppelomvormer Fig. 4 toont ons de constructie van een koppelomvormer. Het koppelingshuis omvat het turbine-, pomp- en statorwiel (6, 7, 8) alsmede de lock-up koppeling (5) en vormt een oliedicht geheel. In dit geheel circuleert voortdurend de hydraulische olie welke wordt verkregen vanuit het hydraulische systeem van de automaat (a is het het toevoer- en b het afvoerkanaal). Wanneer de koppelomvormer werkzaam is ontstaat door de wrijving een verhoging van de olietemperatuur. Deze warmte kan via een oliekoeler worden afgevoerd. 3.2 De werking In de koppelomvormer wordt de stroming van de olie gebruikt om de energie over te brengen van de motor naar de versnellingsbak en wel door gebruik te maken van de massakrachten. De schoepen van de wielen vormen een gesloten circuit waarin de olie vanuit het pompwiel naar het turbinewiel en stator circuleert en vervolgens weer terugkeert naar het pompwiel. Hierbij brengen de schoepen van het pompwiel de mechanische motorenergie over op de olie die zich ten gevolge van de centrifugaalkracht naar buiten beweegt en door het turbinewiel wordt gedrukt. In het turbinewiel botst de stromende olie tegen de turbineschoepen, waardoor de bewegingsrichting wordt veranderd en de stromingsenergie wordt omgezet in mechanische energie. Het turbinewiel begint hierdoor te draaien en de auto begint te rijden. De schoepen van de stator buigen tenslotte de uit het turbinewiel tredende olie af en wel zo dat de beweging overeenkomt met de draairichting van het pompwiel. De voor deze verandering van bewegingsrichting noodzakelijke kracht zet zich af tegen het statorwiel dat door middel van een vrijloopkoppeling is verbonden met het transmissiehuis waardoor een tegengestelde rotatie van de stator wordt voorkomen (fig. 5). De extra bewegingsverandering in het statorwiel maakt het mogelijk dat de oliestroom zich als het ware afzet, waardoor een vergroting van het toegevoerde motorkoppel wordt bewerkstelligd en derhalve het rendement. De omkering van de vloeistofstroom in de stator alsmede de vergroting van het motorkoppel is het grootst wanneer het voertuig nog niet in beweging is gekomen en vermindert met toenemende rijsnelheid, waardoor de binnenkomende stromingsrichting in het statorwiel overeenkomstig verandert (fig. 6). Op het koppelingspunt van de koppelomvormer is de stroomrichting, waarin 6

7 Figuur 4: Doorsnede van een koppelomvormer. Benaming van de onderdelen: 1) krukas, 2) meenemer, 3) deksel van de koppelomvormer, 4) plunjer, 5) lamellen, 6) turbinewiel, 7) pompwiel, 8) statorwiel, 9) vrijloopmechanisme, 10) statoras, 11) pompwielflens, 12) aandrijfas, 13) vliegwiel, a) olietoevoer, b) olie-afvoer 7

8 Figuur 5: Boven: stromingsrichting van de vloeistof in een koppelomvormer. Onder: verandering van de stromingsrichting wanneer de turbine begint te draaien. 8

9 de vloeistof de stator binnenkomt, gelijk aan de uittredende stroomrichting en derhalve zal het koppel van het pompwiel gelijk zijn aan dat van het turbinewiel. Vanaf dit moment komt het vrijloopmechanisme in werking, waardoor de stator in dezelfde richting als pomp- en turbinewiel gaat meedraaien. Kort voor het bereiken van deze bedrijfstoestand verbindt de lock-up koppeling de aandrijvende as met de aangedreven as. Pomp-, turbine- en statorwiel draaien dan met dezelfde snelheid. Door deze overbruggingskoppeling wordt de zgn. slip, een toerenverschil tussen aandrijvende en aangedreven as, hetgeen karakteristiek is voor een koppelomvormer, opgeheven. De als lamellenkoppeling uitgevoerde lock-up koppeling wordt bekrachtigd, afhankelijk van het motortoerental en vermogen, dat wil zeggen dat bij deelbelasting de koppeling de omvormer reeds bij lage rijsnelheden vastzet. Dit geschiedt door middel van de oliedruk die met behulp van een plunjer de lamellen bekrachtigt. 3.3 Karakteristiek van een koppelomvormer De eigenschappen van een koppelomvormer kunnen in een grafiek worden weergegeven (fig. 6) In deze grafiek zijn een drietal variabelen weergegeven, Figuur 6: Karakteristiek van een koppelomvormer nl. het rendement, het ingaande (motor) toerental en de koppelvergrotingsfactor (i), allen als functie van het toerenverhoudingsgetal T (T = n turbine / n pomp of n t / n p ). We kunnen dit vergelijken met de slip van de koppelomvormer, maar dan zo dat 100 % slip overeenkomt met T = 0 en dat 0 % slip overeenkomt met 9

10 T = 1. Bij de meeste koppelomvormers geldt, dat de koppelvergrotingsfactor i ongeveer 2 bedraagt op het moment van wegtrekken en afneemt naarmate het toerental van het turbinewiel toeneemt. Wanneer de oliestroom op de achterzijde van de stator komt en deze begint mee te draaien, is de vergrotingsfactor i gelijk aan 1 geworden. Dit bedrijfspunt ligt bij moderne koppelomvormers bij een T waarde tussen de 0,86 en 0,91 en wordt het koppelingspunt genoemd. Boven dit koppelingspunt wordt een rendement van maximaal 89 % bereikt. Met een lock-up koppeling is er uiteraard geen verlies meer. Het verband tussen de verschillende in de grafiek weergegeven variabelen komt tot uiting in de rendementsformule. Zie verder de grafiek. Er geldt voor de algemene rendementsformule: rendement (ρ) = afgegeven vermogen / toegevoerd vermogen (x 100 %) Ingevuld voor de koppelomvormer wordt dit: η = P turbine / P pomp Met de vermogensformule P = M x 2πn wordt dit: waarin: M t = koppel turbine M p = koppel pompwiel n t = toerental turbine n p = toerental pompwiel T = n t / n p Nu geldt voor de overbrengverhouding zodat het geheel over kan gaan in: M t x n t x 2π / M p x n p x 2π of M t x n t / M p x n p of (M T / M p ) x T i = M t /M p η = i x T Berekeningsvoorbeeld: Het rendement bij T = 0,5 kan als volgt worden bepaald: Rendement η = i x T = 1,55 x 0,5 = 0,775 of 77,5 % (controleer dit in de grafiek) Wanneer er sprake zou zijn van een uitvoering met een conventionele plaatkoppeling dan zou het rendement: 1 x 0,5 = 0,5 of 50 % bedragen. Men zou ook kunnen zeggen dat dit wordt veroorzaakt doordat de plaatkoppeling door het ontbreken van een afzetpunt geen koppelvergroting kan bewerkstelligen. 10

11 3.4 Invloed koppelomvormer op het trekkrachtdiagram Het trekkrachtdiagram van fig. 7 waarin de maximale trekkracht van de aangedreven wielen is uitgezet tegen de rijsnelheid, geeft een indruk omtrent de invloed van de koppelomvormer op de maximaal beschikbare trekkracht. In de grafiek wordt de trekkracht in 1e, 2e en 3e en 4e versnelling van een conventionele handgeschakelde versnellingsbak vergeleken met een automaat met koppelomvormer en een CVT (Continu Variabele Transmissie ) versnellingsbak. In de grafiek is tevens de benodigde trekkracht (luchtweerstand + rol- Figuur 7: Trekkrachtdiagram van verschillende versnellingsbaktypen. De onderbrokenlijn geeft de ideale situatie weer zoals bij een CVT-bak wordt bereikt. De licht getekende lijnen laten een conventionele handgeschakelde bak zien terwijl de dikke lijnen het trekkrachtverloop van een conventionele automaat tonen. weerstand) uitgezet, waarbij dan het snijpunt van deze twee curven de maximale rijsnelheid geeft. De invloed van de koppelomvormer is het grootst bij het wegtrekken (1e versnelling) omdat de vertraging van de versnellingsbak (en eindreductie) vermenigvuldigd moet worden met de koppelvergrotingsfac- 11

12 tor van de koppelomvormer. Omdat deze koppelvergrotingsfactor snel afneemt, zien we in de grafiek dat bij ongeveer 25 km/h de invloed hiervan is verdwenen. Desalniettemin beschikt men tijdens het wegtrekken over een aanmerkelijk grotere trekkracht in vergelijking met een klassieke versnellingsbak met plaatkoppeling. Ook tijdens het schakelen onder vollastomstandigheden kan de slip tussen pomp en turbine ervoor zorgen dat er koppelvergroting optreedt zodat de overgang van de ene naar de andere versnelling met de bijbehorende trekkrachtverandering geleidelijk gebeurt, hetgeen de souplesse ten goede komt. 3.5 Stallpunt en stallspeedtest Volgens de grafiek van fig. 8 loopt het koppel dat kan worden overgebracht op met het toerental van de pomp. Dit is een sterk progressieve lijn. Wanneer deze lijn, de lijn van het maximum koppel van de motor bereikt, neemt het motortoerental niet verder toe. Dat snijpunt noemt men het stallpunt. Dit stallpunt wordt door de fabrikant vastgelegd. Men kan dan kiezen voor wat meer vermogen of een zuiniger auto. Fig. 8 geeft de grafiek weer van een koppelomvormer met een hoog en een laag stallpunt. De werking van de koppelomvormer kan stallpunt laag stallpunt hoog motorkoppel koppel koppel op turbine t/min. Figuur 8: Een koppelomvormer met een laag en een hoog stallpunt gecontroleerd worden door het stallpunt te controleren. De zgn. stallspeedtest. Dat is het snijpunt van de lijn van het koppel van de koppelomvormer en het motorkoppel. Dat kan gecontroleerd worden, als de auto in de versnelling staat en op de (bedrijfs)rem, zodat het voertuig geblokkeerd staat. Als er volgas wordt gegeven, loopt het motortoerental op tot het stallpunt-toerental. Afhankelijk van de motor en de koppelomvormer zal dat liggen tussen 2500 en 3500 t/min. Deze stalltest mag maar enkele seconden duren, omdat er veel 12

13 warmte in de koppelomvormer wordt ontwikkeld en er nauwelijks koeling is. De stalltest wordt door sommige fabrikanten sterk afgeraden. 3.6 Smering, koeling en onderhoud Een koppelomvormer kent geen slijtagedelen zoals bijv. een plaatkoppeling. De lagers draaien in olie, zodat ook daar nauwelijk slijtage ontstaat. Doordat een koppelomvormer bijna altijd met een planetairstelsel (automaat) gecombineerd wordt is hij aangesloten op het hydraulische systeem van de versnellingsbak. Daarin past men ATF (Automatic Transmission Fluid) toe. Dat is een dunne olie, met een hoge viscositeitsindex en een zware anti-schuimdope. Wel ontstaat er warmte, die in sommige gevallen wordt afgevoerd door een warmtewisselaar. Verder koelt de olie in het carter van de bak af door de rijwind. De koeling is bij een aantal personenwagens afgestemd op normaal gebruik. Dat wil zeggen, zonder aanhanger. Wanneer een trekhaak gemonteerd wordt, schrijven sommige fabrikanten voor dat een (extra) oliekoeler gemonteerd moet worden. Een probleem doet zich voor bij het peilen. Als de auto namelijk enige tijd stil staat is een deel van de olie uit de koppelomvormer teruggelopen naar het carter. Omdat het niet zeker is hoeveel olie er uit de koppelomvormer is gelopen, moet een automaat met draaiende motor en (meestal) op bedrijfstemperatuur gepeild worden. De informatie uit het werkplaatshandboek is echter doorslaggevend. Bij het verversen van de olie blijft olie achter in de koppelomvormer. Er wordt dus maar een deel ververst. Het is raadzaam om te controleren of de olie niet te heet geweest is. De olie is dan meestal zwart en ruikt branderig. Ook de slijtage van de koppelingen en rembanden van een automaat laat sporen in de olie achter. Bij sommige versnellingsbakken moet de carterpan losgenomen worden om olie te verversen. Oliefilters moeten gecontroleerd en gereinigd worden of worden vervangen. 3.7 Storingen aan koppelomvormers Bij koppelomvormers kunnen zich een aantal storingen voordoen. We noemen: Axiale speling waardoor turbine en pomp elkaar raken. Dat is goed merkbaar door het slepende geluid dat ontstaat. Meestal is ook de aandrijfkracht minder, doordat de koppelvergroting niet optimaal is. Doorslippen van de vrijloop- (éénrichtings) koppeling, waardoor er geen koppelvergroting is. Dit is te merken aan de trekkracht en het hogere brandstofverbruik. Vastzitten van de éénrichtingskoppeling in beide richtingen geeft een zeer slecht rendement bij hogere toerentallen. De wagen trekt niet goed en gebruikt te veel brandstof. Ook kan het systeem te heet worden. Te weinig olie veroorzaakt een slechte koppeloverdracht, waardoor het motortoerental bij hoge belasting sterk oploopt en er weinig trekkracht is. 13

14 Te veel olie geeft ook problemen dat meestal resulteert in een slecht schakelende versnellingsbak. Loszittende schotten van de stator, pomp en turbinewiel. Vastkoekende olie ten gevolge van oververhitting. 4 Introductie planetaire tandwielstelsels Het turbinewiel van de koppelomvormer is verbonden met de automatische versnellingsbak. Dit versnellingsbaktype is opgebouwd uit één of meerdere planetaire tandwielstelsels, die in samenhang zorgdragen voor drie, vier of meer vaste overbrengverhoudingen. Het geheel is in functie, maar zeker niet in opbouw vergelijkbaar met een conventionele versnellingsbak. Een enkel planetair tandwielstelsel (fig. 9 links) bestaat uit een zonnewiel, een ringwiel en een aantal (meestal drie) satelliettandwielen, die bevestigd zijn op een zgn. drager. De satellietwielen kunnen vrij roteren om de asjes van de drager. Aangezien het geheel in elkaar grijpt zullen de grootte van de tandwielen een zekere relatie met elkaar hebben. Bekijken we de diameters van de verschillende tandwielen dan zal, wanneer we voor de eenvoud een stelsel met twee satelliettandwielen nemen, de diameter van het ringwiel gelijk moeten zijn aan de diameter van het zonnewiel plus 2x de diameter van een satelliettandwiel. Aangezien de moduul van in elkaar grijpende tandwielen gelijk moet zijn kunnen we (voor ons doel) ook zeggen dat het aantal tanden van het ringwiel gelijk moet zijn aan het aantal tanden van het zonnewiel vermeerdert met 2 x het aantal tanden van het satellietwiel. Wanneer het ringwiel bestaat uit 110 tanden en het zonnewiel uit 50 dan hebben de satellieten elk (110-50) / 2 = 30 tanden (fig. 9 rechts) De Figuur 9: Links: opbouw van een planetair tandwielstelsel. Rechts: het aantal tanden van de satellietwielen bedraagt (110-50) / 2 = 30 tanden 1) ringwiel, 2) satellietwiel, 3) zonnewiel, 4) drager 14

15 overbrengverhouding wordt met behulp van het overbrengverhoudingsgetal i gedefiniëerd en wel: i = toerental (of hoeksnelheid) van de ingaande as / toerental (of hoeksnelheid) van de uitgaande as Dit houdt in dat wanneer i groter is dan 1 er sprake is van een vertraging en dat wanneer i kleiner is dan 1 er sprake is van een versnelling. Voor de berekening van de overbrengverhouding komen nog een aantal begrippen ter sprake en wel: het toerental (n) in omw/s ; de hoeksnelheid ω in rad/s (ω = omega); de omtreksnelheid v in m/s. De relatie tussen het toerental (n) en de hoeksnelheid (ω) wordt weergegeven door ω = 2 π n (rad/s) omdat de omtrek van een cirkel uit 2 π radialen bestaat. De relatie tussen de omtreksnelheid en het toerental komt tot uiting in: v = 2 π r x n (m/s) waarin r de straal van de steekcirkel (cirkel waarop de tandwielen in elkaar grijpen) van het tandwiel voorstelt. Uit bovenstaande twee vergelijkingen kan dan de derde worden afgeleid en wel: ω = v / r (rad/s) en dit is de formule waarmee wordt gerekend. Voor de berekening van de overbrengverhouding van planetaire tandwielstelsels bestaan een aantal methodes, waarvan de methode met snelheidsfiguren de meest universele is. We zullen deze dan ook aanhouden. 4.1 Overbrengingsmogelijkheden van een enkel stelsel Het bijzondere van een planetair tandwielstelsel is het feit, dat door het vastzetten van een onderdeel (de drager, het zonnewiel of het ringwiel) een andere overbrengverhouding kan worden verkregen. Wanneer we uitsluitend de vertragingsmogelijkheden bekijken dan kunnen een drietal overbrengverhoudingen met behulp van één stelsel worden verkregen (fig. 10). We maken dan gebruik van een aantal veel gebruikte overbrengings-opstellingen. Deze zijn: Stertype, situatie: drager staat vast, zonnewiel drijvend, het ringwiel gedreven. Planetairtype, situatie: ringwiel staat vast, zonnewiel drijvend, de drager gedreven. Solairtype, situatie: zonnewiel staat vast, ringwiel drijvend, drager gedreven. 4.2 Overbrengverhouding van het stertype (drager vast, zonnewiel drijvend, ringwiel gedreven) We stellen: ringwiel 110 tanden en zonnewiel 50 tanden. 15

16 Figuur 10: De drie meest voorkomende overbrengingsmogeljkheden van een enkelvoudig planetairstelsel. Het is mogelijk om een drie-versnellingsbak met achteruit te construeren uit één enkel planetair tandwielstelsel. In fig. 11 is het principe van het stertypestelsel weergegeven. Gemakshalve wordt hier gewerkt met stralen waarvan de grootte de helft is van het aantal genoemde tanden. Dit is toegestaan zolang we de stralen maar zien als verhoudingsgetallen en niet als absolute waarden. Met behulp van een vorkje wordt in de tekening aangegeven dat de drager vast staat. Het drijvende zonnewiel zal bij rotatie een omtreksnelheid hebben van v z m/s, in de figuur voorgesteld door een snelheidsvector (pijl) van een bepaalde aangenomen lengte. Deze omtreksnelheid v z, zal bij in elkaar grijpende tandwielen overal aan de omtrek hetzelfde zijn, zodat het zonnewiel, het satellietwiel en het ringwiel dezelfde omtreksnelheid hebben. Alleen de draairichting zal, zoals duidelijk in de tekening door de onderbroken lijnen wordt aangegeven, worden omgekeerd. De overbrengverhouding kan nu door de definitie van i worden bepaald, n.l.: waarin: i = ω z / ω r = v z / r z : v r / r r ω z = hoeksnelheid zonnewiel; ω r = hoeksnelheid ringwiel; v z = omtreksnelheid zonnewiel; v r = omtreksnelheid ringwiel; r z = (steek)straal zonnewiel; r r = (steek)straal ringwiel. 16

17 Figuur 11: Bij het stertype zit de drager vast en is het zonnewiel drijvend. Aangezien v z = v r (= v) kan het geheel worden uitgerekend: i= v / 25 : v / 55 = (-) 2,2 Hierbij geeft het - teken aan dat de draairichting werd omgekeerd. In deze situatie zou de berekening ook veel eenvoudiger kunnen omdat het satellietwiel als tussentandwiel dient en derhalve geen invloed heeft op de overbrengverhouding: Er geldt: i = z r / z z = 110 / 50 = (-) 2,2 waarin z r = aantal tanden ringwiel en z z = aantal tanden zonnewiel. Deze overbrengverhouding kan als een achteruitversnelling worden gebruikt. 4.3 Overbrengverhouding van het planetaire type (ringwiel vast, zonnewiel drijvend, drager gedreven) We houden hetzelfde stelsel aan: ringwiel 110 tanden, zonnewiel 50 tanden. In deze overbrengsituatie staat het ringwiel vast, terwijl het zonnewiel door het turbinewiel van de koppelomvormer wordt aangedreven met een omtreksnelheid v z (fig. 12). Let wel: in deze situatie zullen de satellietwielen tevens om de as van de drager draaien, ze maken derhalve een dubbele beweging. Doordat het ringwiel vastzit zullen de satellieten, die door het zonnewiel worden aangedreven, zich tegen de tanden van het ringwiel afzetten, waardoor de drager zelf in beweging komt en derhalve drijvend wordt. De omtreksnelheid van de drager kan grafisch volgens fig. 12 worden bepaald, waarna duidelijk is te zien dat de omtreksnelheid van de drager de helft van de omtreksnelheid van het zonnewiel bedraagt (meetkundige verhoudingen van de driehoek). De overbrengverhouding laat zich weer op gelijke wijze bepalen, nl.: ω z = hoeksnelheid zonnewiel i = ω z / ω dr = v z / r z : v dr / r dr 17

18 Figuur 12: Bij het planetaire type zit het ringwiel vast en is het zonnewiel drijvend. ω dr = hoeksnelheid drager v z = omtreksnelheid zonnewiel v dr = omtreksnelheid drager r z = (steek)straal zonnewiel r dr = (steek)straal drager Ingevuld geeft dit: i= v/25 : 0,5v/40 = 3,2 waarbij de draairichting hetzelfde blijft. Deze vertraging zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor een eerste versnelling. Eenvoudiger maar minder universeel kan de overbrengverhouding worden bepaald door gebruik te maken van de volgende formule: i = (z r + z z ) / z z = ( ) / 50 = 3,2 waarin: z r = aantal tanden ringwiel z z = aantal tanden zonnewiel 4.4 Overbrengverhouding van het solaire type (zonnewiel vast, ringwiel drijvend, drager gedreven) Ringwiel weer 110 tanden en zonnewiel 50 tanden. Door het vastzetten van het zonnewiel zal het aandrijvende ringwiel de satellietwielen meenemen. De satellieten zelf zetten zich dan af tegen de tanden van het geblokkeerde zonnewiel waardoor de drager wordt gedreven. Wanneer we de omtreksnelheid van het ringwiel v r stellen dan kan op dezelfde wijze de omtreksnelheid van de drager worden bepaald (fig. 13). Er geldt weer: i = ω r / ω dr = v r / r r : v dr / r dr 18

19 Figuur 13: Bij het solaire type drijft het ringwiel en zit het zonnewiel vast. waarin: ω r = hoeksnelheid ringwiel ω dr = hoeksnelheid drager v r = omtreksnelheid ringwiel r r = straal ringwiel v dr = omtreksnelheid drager r dr = straal drager Ingevuld geeft dit: i = v r /55 : 0,5v r /40 = 1,45 (v r = 2v dr ) Een overbrenging die als tweede versnelling zou kunnen worden gebruikt. Ook hier kan men tot een snellere oplossing komen door gebruik te maken van de volgende formule: zr+zz zr = = 1,45 Wanneer we ook nog rekening houden met het feit dat een geheel geblokkeerd stelsel een overbrengverhouding van i = 1 heeft, hebben we alle (vertragende) mogelijkheden bekeken van een enkelvoudig planetair stelsel. Resumerend: Stertype i = -2,2, achteruit versnelling; Planetair type i = 3,2, 1e versnelling; Solair type i = 1,45, 2e versnelling; Alles geblokkeerd i = 1, 3e versnelling (prise direct). 19

20 4.5 Berekening van de overbrengverhouding wanneer alle componenten draaien Bij de voorgaande situaties werd altijd uitgegaan van één onderdeel dat (door de koppelingen in de versnellingsbak) werd vastgezet. In de meeste gevallen kan de gewenste overbrengverhouding slechts door aaneenschakeling van meerdere planetaire stelsels worden verkregen. De berekening van de overbrengverhouding kan dan veelal niet meer door toepassing van een simpele formule plaatsvinden, maar zal moeten worden uitgevoerd met behulp van de al genoemde snelheidsfiguren. Als voorbeeld bekijken we de achteruit versnelling waarbij het zonnewiel wordt aangedreven, de drager geblokkeert en het ringwiel drijvend wordt (fig. 14). Stel nu eens voor dat de drager niet geblokkeerd staat, maar bijvoorbeeld vanuit een ander stelsel met een zekere omtreksnelheid wordt aangedreven. Fig. 14 b, c en d geven dan de bijzondere situaties aan die zich voor kunnen doen. Bij de bestudering van de figuren 14 b t/m d zal opvallen, dat door de drager een zekere snelheid te geven er een variabele overbrenging ontstaat, die zowel een positieve of negatieve waarde aan kan gaan nemen. Als berekeningsvoorbeeld nemen we de laatste situatie (afb. d), Figuur 14: Door de drager niet vast te zetten maar bijv. aan te drijven vanuit een ander stelsel kunnen verschillende overbrengen worden gerealiseerd. waarbij we aannemen dat de omtreksnelheid van de drager 3/4 bedraagt van die van het drijvende zonnewiel. Voor de overbrengverhouding geldt weer: 20

21 i = ω drijvend /ω gedreven i = v z / r z : v r / r r Voor de stralen nemen we weer de eerder aangenomen waarden, zodat de omtreksnelheden nog moeten worden bepaald. Wanneer we de omtreksnelheid van het zonnewiel v z stellen, is volgens de gegevens de omtreksnelheid van de drager 3/4 v z. Uit deze twee waarden kan met behulp van de hulplijnen in afb. d de omtreksnelheid v r, worden afgeleid. Dit kan door bepaling van de meetkundige verhoudingen binnen de driehoek ABC, maar is eenvoudiger te zien door de driehoekjes DBE en EFG te beschouwen. Ook kan de omtreksnelheid door opmeten worden vastgesteld. v r is dan 0.5 v z. Ingevuld krijgen we dan: i = v / 25 : 0,5v / 55 i = 4,4 waarmee de overbrengverhouding is bepaald. 5 Beschrijving van de ZF automatische versnellingsbak 3 HP 22 De ZF automatische versnellingsbak 3HP22 bestaat uit een hydrodynamische koppelomvormer en een dubbel planetair tandwielstelsel met drie versnellingen. De betrekkelijk eenvoudige constructie van de planetaire stelsels met de drie vooruit versnellingen en één achteruit is gekoppeld aan de koppelomvormer, die in alle versnellingen werkzaam is. De schakelelementen bestaan uit hydraulisch bekrachtigde meervoudige plaatkoppelingen en vrijloopconstructies. De automatische controle en bediening hangt af van de stand van het gaspedaal, de stand van de selectiehefboom en de rijsnelheid. De handbediende selectiehefboom maakt een programmakeuze mogelijk. De bestuurder kan de automatische besturing beïnvloeden door het snel of volledig intrappen van het gaspedaal (Het kick-down effect). Hierdoor wordt een lagere versnelling gekozen in verband met de verlangde maximale acceleratie terwijl het overschakelen niet plaatsvindt voordat het maximum motortoerental wordt bereikt. De maximale koppelvergroting van de koppelomvormer bedraagt 2,1. Algemene gegevens type 3 HP 22: 1e versnelling 2,73 2e versnelling 1,56 3e versnelling 1,0 Achteruit versnelling 2,09 Fig. 15 geeft de schematische opstelling De constructie met een gemeenschappelijk zonnewiel (stelsel 9a en 9b) staat bekend onder een Simpson constructie. De hierop volgende afbeeldingen geven het krachtverloop in de diverse versnellingen weer. De dik getrokken lijnen geven aan welke onderdelen actief zijn. We bekijken elke versnelling afzonderlijk. 21

22 Figuur 15: Schematische opstelling van de 3HP aandrijving motor, 13 uitgaande as, 3 koppelomvormer, 4 t/m 8 koppelingen, 9 planeetstelsels (9a en 9b), 15,17 vrijloopkoppelingen. 22

23 5.1 1e versnelling ingeschakeld (fig. 16) De koppeling 4 staat vast, waardoor het ringwiel van het stelsel 9b kan worden aangedreven. De planeetdrager van stelsel 9a zet zich tijdens de aandrijving af op de vrijloop 15 (vrijloop vast). Tijdens het afremmen op de motor is het vrijloopmechanisme in werking (vrijloop los). In de keuzestand 1 van de selectiehefboom staat bovendien koppeling 8 vast teneinde op de motor te kunnen afremmen. In deze overbrenging is dus stelsel 9a van het stertype (drager vast) terwijl alle onderdelen van het stelsel 9b roteren. Voor de berekening geeft fig. Figuur 16: De eerste versnelling is geselecteerd. Koppeling 4 vast, twee stelsels draaien. 17 de vooraanzichten van de twee stelsels, waarbij we uitgaan van de al eerder aangenomen gegevens. Aangezien van het stelsel 9a de drager geblokkeerd is, stellen we de omtreksnelheid van het ringwiel v m/s, waardoor de hoeksnelheid (ω) van de uitgaande as (13) v/55 rad/s wordt. Deze hoeksnelheid is gelijk aan de hoeksnelheid van de drager van het stelsel 9b (ringwiel en drager aan elkaar gekoppeld). Volgens de grafische bepaling van fig. 17 links (stelsel 9a) zal het zonnewiel ook een omtreksnelheid van v m/s krijgen. Aangezien de zonnewielen gekoppeld zijn zal ook het zonnewiel van stelsel 9b een omtreksnelheid hebben van v m/s. De omtreksnelheid van de drager van stelsel 9b is te berekenen daar de hoeksnelheid v/55 rad/s bedroeg. De omtreksnelheid is (v/55) x 40= 0,73 v. Op schaal uitgezet kan grafisch de omtreksnelheid van het ringwiel worden bepaald (9b). Door de meetkundige verhoudingen in de driehoek te beschouwen komen we grafisch of door berekening op: v drager = 2,46 v ω ingaande as is dan 2,46v / 55 (rad/s) De overbrengverhouding wordt dan in dit voorbeeld: i = ω ingaande as : ω uitgaande as i = (2,46 v/55) : v/55 i = 2,46 23

24 waarbij de draairichting van de ingaande as gelijk is aan de draairichting van de uitgaande as. Figuur 17: Vooraanzichten van de twee stelsels voor de 1e versnelling. Ringwiel stelsel 9b drijvend. Gedreven ringwiel stelsel 9a e versnelling ingeschakeld (fig. 18) De koppelingen 4, 6 en 7 staan vast. De vrijloop 15 staat los (vrijloopmechanisme in werking). De holle as met het zonnewiel van het planeetstelsel 9b staat vast. Hiermee is dus een overbrenging verkregen volgens het solaire type (ringwiel drijvend, drager gedreven en zonnewiel vast). De overbrengverhouding is reeds eerder bepaald. Figuur 18: Tweede versnelling ingeschakeld. Koppelingen 4,6 en 7 geblokkeerd. Van stelsel 9b: zonnewiel vast, ringwiel drijvend, drager gedreven e versnelling ingeschakeld (fig. 19) De koppelingen 4, 5 en 7 staan vast. De vrijloopkoppelingen 15 en 16 staan los (vrijloopmechanisme in werking). Het planeetstelsel 9b draait als één geheel mee (overbrengverhouding i = 1). 24

25 Figuur 19: Derde versnelling ingeschakeld, koppelingen 4,5 en 7 vast, stelstel 9b geblokkeerd. 5.4 Achteruit versnelling ingeschakeld (fig. 20) De koppelingen 5 en 8 staan vast. Ten gevolge van de geblokkeerde voorste planeetwieldrager wordt de draairichting van de aandrijvende as omgekeerd. Er is dus sprake van een overbrenging volgens het stertype (zonnewiel drijvend, ringwiel gedreven, drager vast). De overbrengverhouding is reeds eerder bepaald. Figuur 20: Achteruitversnelling ingeschakeld. Koppeling 5 en 8 vast, zonnewiel stelsel 9a drijft, ringwiel 9a gedreven. 5.5 Vrijloop In de vrijloopstand zijn alle koppelingen los. 6 Ravigneaux stelsel Hoewel er relatief eenvoudig een drie-versnellingsbak met achteruit van een enkelvoudig stelsel kan worden gemaakt voldoet een dergelijke versnellingsbak niet. Immers bij de keuze van de tandwielen liggen onmiddellijk alle verhoudingen vast. Oplossingen kunnen worden gevonden door meerdere stelsels 25

26 aan elkaar te koppelen. Ook slimme combinaties zijn mogelijk. Het Ravigneaux maar ook het Simpson-stelsel zijn hiervan voorbeelden. Het Ravigneaux-stelsel ziet men vaak bij personenwagens toegepast. Het betreft een systeem met twee zonnewielen, lange en korte satellietwielen met een gemeenschappelijk drager en één ringwiel. Het gaat om een compacte constructie die vier versnellingen mogelijk maakt. Hoewel het bepalen van de overbrengverhoudingen een ingewikkelde zaak lijkt, zijn de meeste overbrengingen tot een enkelvoudig stelsel terug te voeren. Fig. 21 geeft een overzicht van een Ravigneaux versnellingsbak. We zien een planetair tandwielstelsel waarvan het ringwiel altijd het uitgaande tandwiel vormt. De turbine-as kan door de diverse koppelingen gekoppeld worden aan het voorste of achterste zonnewiel of met de satellietrager. Om Figuur 21: Automatische versnellingsbak met een planetairstelsel van het Ravigneaux type (Seat 001 automaat) de diverse versnellingen te activeren zullen een aantal koppelingen en remmen moeten worden bekrachtigd. Fig. 22 met bijbehorende tabel geeft aan welke koppelingen bekrachtigd worden. Onderscheid tussen bijv. 3H en 3M wordt 26

27 gemaakt door de koppelomvormer. Bij een 3H(ydraulische)-overbrenging zorgt de koppelomvormer voor een extra vertraging. Bij de 3M(echanisch) is de koppelomvormer geblokkeerd door het inschakelen van de lock-up koppeling. Bij de 001M bak van VAG (Seat) zijn de overbrengverhoudingen als het volgt: 1e versnelling 2,7; 2e versnelling 1,4; 3e versnelling 1; 4e versnelling 0,7; achteruit versnelling -2,9; tussenoverbrenging (ringwiel-tandwiel) 0,978; eindreductie 4,2 Figuur 22: De verschillende overbrengverhoudingen van een Ravigneaux versnellingsbak worden verkregen door de koppelingen en remmen volgens de tabel te bekrachtigen. X = geactiveerd element, K = koppeling, H = hydraulisch, B = rem, M = mechanisch, F = vrijloop, BR = lock-upkoppeling (tek. Seat) 27

28 Fig. 23 geeft het vooraanzicht van het stelsel waarin duidelijk is te zien dat het grote (korte) satelletwiel het voorste zonnewiel met het ringwiel verbindt. Dit vormt dan een enkelvoudig stelsel. Figuur 23: Drie dimensionale weergave en het vooraanzicht van het Ravigneaux stelsel. Het aantal tanden is vanuit een bestaande versnellingsbak geteld. Voor het ringwiel is het aantal tanden aangenomen (tek. Seat). 6.1 Eerste versnelling Koppeling K1 wordt bekrachtigd waardoor de holle as Z2 aandrijft. Koppeling B1 zet de drager van S1, S2 en S3 vast. Via een normale tandwieloverbrenging (Z2, S1, S3 en S2 drijft S2 het ringwiel aan. Omdat Z1 vrij draait kan het stelsel worden gezien als een satellietwiel dat het ringwiel aandrijft. De overbrengverhouding wordt dan bepaald door de tandwielverhouding van het zonnewiel, de satellietwielen en het ringwiel (tandwiel met binnen en buitenvertanding). Stel (zie ook fig. 23): Z1 aantal tanden 32; S2 aantal tanden 27 Z2 aantal tanden 34; S3 aantal tanden 20 S1 aantal tanden 22; Ringwiel 85+1 tanden De overbrengverhouding (i) is dan: (22/34) x (27/20) x (86/27) = 0,64 x 1,35 x 3,15 = 2,7 28

29 Figuur 24: 1e versnelling, K1 en B1 bekrachtigd. De overbrengverhouding kan worden gezien als gewoon stelsel van tandwielen (tek. Seat). 6.2 Tweede versnelling De tweede versnelling wordt verkregen door weer Z2 te laten aandrijven (K1 bekrachtigd) maar nu Z1 vast te zetten door de remband B2 te bekrachtigen. B1 wordt niet meer bekrachtigd waardoor de drager vrij kan draaien. Het geheel wordt nu ingewikkeld omdat S2 zich over het zonnewiel Z1 gaat afrollen. Het ringwiel wordt meegenomen maar ook de drager gaat roteren. Fig. 26 geeft de rotatie van de verschillende tandwielen weer waarbij gemakshalve maar is aangenomen dat S1 = S3. Voor het bepalen van de overbrengverhouding kunnen we weer gebruik maken van snelheidvectoren. Omdat het geheel lastig is om te overzien worden alle tandwielen boven elkaar getekend (fig. 27). We kunnen beginnen om de uitgaande snelheid v r aan te nemen. Omdat het voorste zonnewiel (in fig. 27 de grootste) vast staat kunnen we de v van de drager grafisch bepalen. Omdat de dragervork op ongelijke afstanden van het middelpunt ligt moet de v van de drager van de andere vorkhelft ook grafisch worden vastgelegd. Als dat is gebeurt kan de v van het aandrijvende achterste zonnewiel worden bepaald. Nu is v in en v uit bepaald en kan wanneer we de actieve stralen weten de overbrengverhouding worden vastgesteld (i =1,4). 29

30 Figuur 25: Het inschakelen van de tweede versnelling wordt verkregen door K1 en B2 te bekrachtigen. De drager roteert nu om Z1 heen. Figuur 26: Rotatie van de verschillende tandwielen in de 2e versnelling. Z2 drijft, S2 wentelt zich af over Z1 en neemt de drager en het ringwiel mee. 30

31 Figuur 27: Voorstelling van de grafische bepaling van de overbrengverhouding in de 2e versnelling van het Ravigneaux stelsel. Voor de eenvoud zijn de satellietwielen boven elkaar getekend. 6.3 Derde versnelling De resterende derde, vierde en achteruitversnelling zijn (gelukkig) eenvoudiger vast te stellen. Bij de derde versnelling worden de koppelingen K1 en K3 vastgezet waardoor het geheel als één geheel meedraait. De overbrengverhouding is dan 1 (i=1). Zie fig. 28. Figuur 28: Door K1 en K3 vast te zetten draait het stelsel al één geheel mee (i=1). Tek. Seat 31

32 6.4 Vierde versnelling De vierde versnelling wordt verkregen K3 en B2 te bekrachtigen. B2 zet het voorste zonnewiel Z1 vast en de koppeling 3 zorgt ervoor dat de drager wordt aangedreven. Hier ontstaat een enkelvoudig stelsel dat versnelt (zie fig. 29 ). Figuur 29: De vierde versnelling wordt verkregen door de drager via K3 aan te drijven en het voorste zonnewiel via B2 vast te zetten (tek. Seat). Houden we de eerder genoemde afmetingen van de tandwielen aan dan kan de overbrengverhouding op de inmiddels gebruikelijke manier worden berekend nl. i = (v in / r in ) : (v uit / r uit ) i = (v / 29,5) : (2v / 43) = 0,72 32

33 6.5 Achteruit versnelling Tot slot de achterruitversnelling. Nu wordt de koppeling K2 en de rem B1 bekrachtigd. Ook hier zien we dat het geheel teruggebracht kan worden tot een enkelvoudig planetairstelsel. Door de koppeling K2 wordt het voorste zonnewiel Z1 aangedreven en de drager via B1 vastgezet. Zie fig. 30. Met behulp Figuur 30: Voor de achteruitversnelling wordt de drager door B1 vastgezet en Z1 via B2 aangedreven (tek. Seat). van snelheidsvectoren kan dan weer de overbrengverhouding worden vastgesteld (fig. 30). Nemen we weer de eerder aangenomen afmetingen aan dan wordt de overbrengverhouding: i = (v z1 / r z1 ) : (v r / r r ) (1 / 16) : (1 / 43) = 2,7 33

34 7 Hydraulisch circuit We bekijken dit circuit aan de hand van de Ravigneaux versnellingsbak, de zgn. 001 transmissie die in de kleinere VAG modellen wordt toegepast. De koppelingen die hydraulisch worden bekrachtigd worden verdeeld in koppelingen (K) en remmen (B). Uiteraard bezit de koppelomvormer een lock-up koppeling. De regeling zelf is elektronisch. De schakelmomenten worden afhankelijk van de rijsnelheid en rijomstandigheden door de automatische transmissiecomputer bepaald. De transmissievloeistof (ATF) is een uiterst zwaar belaste vloeistof. Deze dient voor: 1. overdracht van het motorkoppel (koppelomvormer); 2. bediening van de koppelingen (K) en remmen (B); 3. warmteoverdracht (koeling van de automatische transmissie); 4. smeren van de onderdelen. De transmissievloeistofpomp wordt aangedreven door het pompwiel van de koppelomvormer. De ATF(luid) wordt aangezogen vanuit het carter van de automatische transmissie. Het passeert een filter voordat de vloeistof de pomp binnenkomt. De pomp brengt de vloeistof op druk en stuurt deze naar de schuiven van het hydraulische huis. De hydraulische schuiven worden door magneetkleppen aangestuurd. Wanneer een magneetklep wordt aangestuurd wordt de olie onder druk naar de betreffende koppeling of rem getransporteerd (fig. 31). De drukselector (N93) is een modulerende klep waarmee de vloeistofdruk wordt geregeld op basis van het stand van het gaspedaal. De magneetkleppen N88, N89 selecteren de diverse versnellingen. Figuur 31: Opstelling van de componenten voor het AT oliecircuit. De drukselector (N93) regelt de vloeistofdruk afhankelijk van de stand van het gaspedaal. De magneetkleppenkleppen N88, N89 (1 getekend) selecteren de versnellingen (tek. Seat). 34

35 7.1 Regelen van de hydraulische drukken Voor de correcte hydraulische aansturing zijn diverse van de centrale oliedruk afgeleide hydraulische drukken nodig. Voor het principe bekijken we de drukregelplunjer van fig. 32. De vloeistof waarvan de druk moet worden geregeld komt bij I binnen terwijl vloeistof met de afgeregelde druk bij U naar buiten stroomt (fig. links). Een veerspanning F veer zorgt er aanvankelijk voor dat de openingen I en U geopend zijn, waardoor de vloeistof in eerste instantie via kanaal U naar de verbruiker gaat. Wanneer dit echter het geval is zal de ruimte C onder de plunjer volstromen en een druk opbouwen die een kracht F vl (p vloeistof x A plunjer ) veroorzaakt tegen de veerdruk F veer in. Op een gegeven moment zal door de toenemende vloeistofdruk de opening I worden afgesloten, waardoor de druk niet verder kan oplopen. Wanneer de druk bij U, bijv. door verbruik, daalt zal de opening I weer vrijgegeven worden, waarna het proces zich weer kan herhalen. Mocht er in het uitgaande circuit geen olieverbruik optreden dan zou ten gevolge van lekverschijnselen de druk te hoog in het U-circuit kunnen oplopen. De plunjer wordt in dat geval nog verder omhoog geduwd waardoor de retouropening R wordt vrijgegeven en de druk weer zal dalen (fig. 32 links). Wanneer we bijv. de druk willen afregelen op 3 bar, dan zal bij een plunjerdiameter (d) van 5 mm, de veerspanning volgens F = p x A: N/m 2 X 0,25 π 0,005 m 2 = 5,9 N moeten bedragen. Wanneer we met een veer onder een vaste constante voorspanning werken zal de afgeregelde vloeistofdruk een vaste door de veer bepaalde waarde gaan aannemen. Variatie in de afgeregelde druk is onder meer mogelijk door ook vloeistof onder druk, bijv. vanuit een ander drukregelorgaan, in de veerruimte te laten vloeien, dus deze samen te laten werken met F veer. Ook kan de veer mechanisch worden opgespannen. Figuur 32: Het regelen van hydraulische drukken. Links: de plunjer wordt omhoog geduwd wanneer de afgeregelde druk wordt bereikt. Rechts: wordt de uitgangsdruk te hoog dan wordt de retouropening vrijgegeven. 35

36 7.2 Lock-up koppeling Wanneer er geen blokkering plaatsvindt (koppelomvormer actief) dan komt de transmissieolie onder druk via de blokkeringsselector door de opening A binnen. Via opening C kan de transmissieolie het koppelomvormershuis weer verlaten (fig. 33). De lock-up koppeling ligt dan vrij omdat de druk de koppel- Figuur 33: De oliestroom van en naar de lock-up koppeling. Links: koppelomvormer actief omdat de lock-up koppeling wordt vrijgedrukt. Rechts: oliedruk duwt de koppelingsschijf tegen het pomphuis waardoor pomp en turbine aan elkaar gekoppeld worden (tek. Seat). ingsplaat van het huis afduwt. De magneetklep N91 is niet bekrachtigd. Wanneer het toerentalverschil tussen motor en transmissie zodanig klein wordt dat er geen koppelvergroting meer nodig of gewenst is dan bekrachtigt de versnellingsbakcomputer de magneetklep N91. De hydraulische blokkeringsselector neemt vervolgens de positie in van fig. 33 rechts. De olietoevoer vindt dan plaats via kanaal C terwijl kanaal A de retour wordt. De koppelingsplaat van de lock-up wordt tegen het huis gedrukt waardoor een directe verbinding tussen pomp en turbine verkregen is. De magneetklep N91 ontvangt een pulsbreedte gemoduleerd signaal waardoor de druk geleidelijk kan worden opgebouwd. Stoten in de transmissie worden zodoende voorkomen. 7.3 Meervoudige plaatkoppelingen De als voorbeeld gekozen rem B1 is een meervoudige plaatkoppeling en dient om de satellietdrager tegen te houden (fig. 34 boven). De rem wordt bediend wanneer de achteruitversnelling wordt gekozen of de 1e versnelling wordt geselecteerd. De rem heeft enige speling welke door de fabrikant wordt afgesteld. In fig. 34 (midden) heeft de hydraulische vloeistof de plunjer tegen de veerspanning in aangedrukt waardoor de platen aanliggen. In fig. 34 (onder) heeft de veer de koppeling vrij gedrukt. De koppelingen K1, K2 en K3 dienen in 36

37 Figuur 34: Boven: opstelling van de remmen B in het systeem. Onder links: rem in bekrachtigde toestand. Onder rechts: De rem niet bekrachtigd (Tek. Seat) 37

38 tegenstelling tot de rem B1 om krachten over te brengen. De praktische uitvoering is echter in grote lijnen gelijk (fig. 35). Om de koppeling te activeren wordt Figuur 35: Werking van de hydraulische bekrachtigde koppelingen (tek. Seat). de druk op de transmissievloeistof verhoogd, de kogelklep sluit en de plunjer drukt aan waardoor de platen contact maken en de koppeling actief wordt. Voor het lossen van de koppeling wordt de druk op de transmissievloeistof verminderd. De kogelklep opent ten gevolge van de afnemende vloeistofdruk en de centrifugaalkracht. De benodigde speling wordt door de fabrikant afgesteld. Reparatie en afstelling in de werkplaats is niet mogelijk. 7.4 Rembanden De remband B2 (fig. 36) heeft als functie om het voorste zonnewiel tegen te houden. De rem heeft de vorm van een band en wordt bediend door middel van een hydraulische cilinder. De band wordt aan de ene kant vastgehouden door een stelschroef. De stelschroef wordt door de fabrikant ingesteld. De andere kant wordt door een bedieningsstang aangedrukt waardoor de band zich om de trommel spant. Het hydraulische gedeelte bestaat uit twee plunjers, één voor de 2e versnelling en één voor de 4e versnelling. De besturingsdruk voor de 2e versnelling komt het middelste kanaal binnen en duwt de remband aan. Voor de 4e versnelling wordt het bovenste kanaal gebruikt. Om de remband te ontspannen, nodig voor het inschakelen van de 3e versnelling wordt een ontkoppelingsdruk gebruikt waardoor de remband zich ontspant en het zonnewiel weer loskomt. 38

39 Figuur 36: Opstelling van de remband B2 (tek. Seat) 7.5 Vrijloopkoppelingen (fig. 37) Vrijloopkoppelingen bestaan uit blokkeerelementen, die vrijgegeven worden in één draairichting en geblokkeerd raken wanneer de draairichting omkeert. Er zijn constructies met kogels en schuin naar elkaar toelopende banen of met zichzelf klemlopende blokkeringspallen. Figuur 37: Constructie van een vrijloopkoppeling met pallen (tek. Seat) 39

40 7.6 Elektro-hydraulische besturing Om de hydraulische drukken te regelen en toe te laten tot de verschillende remmen en koppelingen wordt gebruik gemaakt van elektromagnetische kleppen die door de versnellingsbak-besturingscomputer kunnen worden bekrachtigd. Fig. 38 geeft een overzicht van de plaatsing van de gebruikte kleppen, de aansturing hiervan door de computer en voor welke versnelling welke klep wordt gebruikt. Figuur 38: Links boven: overzicht kleppenblok. Rechts boven: klepaansturing computer. Onder: activeringsschema. (Seat) KLEPPEN N88 EN N89 Deze kleppen zijn van het aan/uit type en zorgen ervoor dat de versnellingen worden ingeschakeld die door de regeleenheid worden aangegeven. KLEP N90 Klep N90 is van het aan/uit type en dient om de activeringsduur van 40

41 de remmen en de koppelingen te regelen. Dankzij deze klep wordt het mogelijk de remmen en koppelingen soepel te bedienen. KLEP N91 Klep N91 is een modulerende klep die de druk van de transmissievloeistof regelt om de slipblokkering van de koppelomvormer in te schakelen. KLEP N93 Magneetklep N93 is een modulerende klep waarmee de transmissievloeistofdruk wordt geregeld voor de koppelingen en de remmen op basis van de actuele stand van het gaspedaal (gaskleppotentiometer). Teneinde de klep snel te kunnen laten reageren, moet de klep worden aangestuurd met een hoge spanning die weer snel afvalt zodra de klep is aangestuurd. Om dit te bereiken, wordt de klep gevoed via een voorschakel-weerstand (N207). Om de diverse kleppen aan te sturen en derhalve de gewenste versnelling te kunnnen selecteren maakt de versnellingsbakcomputer gebruik van diverse signalen. Te weten: gaskleppotentiometer; Hallsensor; transmisiesensor; wagensnelheidssensor; temperatuursensor transmissievloeistof; multischakelaar; elektromagneet blokkering keuzehefboom; remlichtschakelaar; kickdownschakelaar. 7.7 Gaskleppotentiometer De gaskleppotentiometer G69 verschaft het motorstuurapparaat doorlopend informatie over de stand van de gasklep alsmede over de snelheid waarmee het gaspedaal wordt bediend. De regeleenheid van de transmissie ontvangt het signaal van de potentiometer via het motorstuurapparaat (fig. 39). De informatie die wordt ontvangen van de potentiometer wordt gebruikt voor: het berekenen van het schakelmoment afhankelijk van de motorbelasting; het afstelling van de transmissievloeistofdruk afhankelijk van de belasting en de ingeschakelde versnelling; reductie van het motorkoppel (verlating van het ontstekingstijdstip) gedurende de schakelcyclus; schakelen tussen de programma s ECO en SPORT. 41

42 Figuur 39: De versnellingsbakcomputer ontvangt de informatie van de gasklep via de motormanagement-computer. 7.8 Hallsensor De Hallsensor (G40) bevindt zich in de verdeler en wordt direct aangedreven door de nokkenas. Deze sensor registreert het motortoerental en geeft dit door aan het motorstuurapparaat. Deze laatste stuurt de informatie weer door naar de regeleenheid van de automatische transmissie (fig. 40). De informatie van de Hall-sensor wordt door de regeleenheid gebruikt om de slipblokkering te regelen. Figuur 40: De Hall-impulsgever. De managementcomputer J382 geeft via pin 27 het Hall-signaal door aan de versnellingsbakcomputer J217 (tek. Seat). 42

43 7.9 Transmissiesensor De transmissiesensor (G38) bevindt zich in het transmissiehuis en registreert het toerental van koppeling K3 (fig. 41). Koppeling K3 is direct aan de turbineas gekoppeld. Aan de hand van dit signaal bepaalt de versnellingsbak-computer het ingaande toerental van de transmissie. Het signaal dient om de regeleenheid de volgende functies te kunnen laten uitvoeren: berekening van het schakelmoment; reductie van het motorkoppel gedurende de schakelcyclus. Figuur 41: Het toerental van de turbineas wordt door de transmissiesensor G38 gemeten (tek. Seat) Wagensnelheidssensor De wagensnelheidssensor (G68) bevindt zich in het transmissiehuis (fig. 42). De sensor is een inductieve sensor die de snelheid van het uitgaande ringwiel van het planetaire tandwielstelsel registreert. De informatie m.b.t. de snelheid is van belang om: te kunnen bepalen welke versnelling moet worden ingeschakeld; de slipblokkering te kunnen inschakelen Temperatuursensor-transmissievloeistof De sensor voor de meting van de temperatuur van de transmissievloeistof (G93) bevindt zich boven het schuivenhuis en registreert de temperatuur van de genoemde vloeistof (fig. 43). Het signaal wordt gebruikt voor de regeling van de 43

44 Figuur 42: Het wagensnelheidssignaal bevindt zich in het transmissiehuis (tek. Seat). 44

45 transmissievloeistofdruk. In geval van te koude transmissie-olie wordt de slipblokkering niet ingeschakeld en kan het motorkoppel niet worden gereduceerd. Figuur 43: De temperatuursensor van de transmisie-olie (tek. Seat) Multischakelaar De multischakelaar F125 bevindt zich in het transmissiehuis en wordt bediend door middel van de bedieningskabel aan de keuzehendel (fig. 44). Functies: De multischakelaar neemt de stand van de keuzehendel waar en geeft deze door aan de versnellingsbakcomputer. Verder regelt deze: Het startblokkeringsrelais wanneer de keuzehendel in de stand P of N staat (zie fig. 45); de achteruitrijlichten. Figuur 44: De keuzehefboom is verbonden met de multischakelaar (tek. Seat). 45

46 Figuur 45: Het startblokkeringsrelais (j207) bevindt zich in de relaiskast. Het relais heeft tot doel te voorkomen dat de motor start wanneer de keuzehendel niet in de stand N of P staat. Elektrisch circuit: 10) signaal voor 1e versnelling, 9) signaal voor 2e versnelling, 8) signaal voor 3e versnelling, 7) signaal voor stand D, 6) signaal voor stand N, 5) signaal voor stand R, 4) signaal voor stand P, 2) aansluiting blokkeringsrelais (tek. Seat). 46

47 7.13 Elektromagneet voor blokkering keuzehefboom De elektromagneet (N110) bevindt zich onder de keuzehefboom en dient om deze te blokkeren. De elektromagneet blokkeert de hefboom om te voorkomen dat per ongeluk wordt geschakeld met de keuzehefboom. Om te schakelen dient eerst de blokkeerpal te worden ingedrukt (fig. 46). De regeleenheid stuurt de Figuur 46: Elektromagneet van blokkering keuzehefboom (tek. Seat) elektromagneet aan door deze met de massa te verbinden. Telkens wanneer de blokkeerpal wordt ingedrukt, ontvangt de regeleenheid een signaal, waarna de de elektromagneet afvalt en de keuzehefboom kan worden bediend Remlichtschakelaar (fig. 47) Deze schakelaar (F) bevindt zich aan de steun van het rempedaal. De schakelaar stuurt een signaal naar de regeleenheid wanneer het rempedaal wordt ingedrukt. Wanneer dit signaal wordt ontvangen dan: schakelt de AT-computer bij stilstaande auto de blokkering van de keuzehefboom uit; schakelt de computer de blokkering uit wanneer de wagen wordt afgeremd terwijl de slipblokkering is ingeschakeld en een snelheid van 60 km/h wordt bereikt Kick-downschakelaar (fig. 48) De kick-downschakelaar (F8) bevindt zich in de kabel van het gaspedaal. De schakelaar wordt geactiveerd wanneer het gaspedaal volledig wordt ingetrapt. Het signaal van de schakelaar wordt gebruikt om onmiddellijk terug te schakelen naar de vorige versnelling (bijv. van de 4e naar de 3e). Tevens wordt de airco gedurende 8 seconden uitgeschakeld. 47

48 Figuur 47: Remlichtschakelaar (tek. Seat) Figuur 48: De kick-down schakelaar zorgt voor terugschakelen en het tijdelijk uitschakelen van de airco (tek. Seat). 48

49 7.16 Motorstuurapparaat De regeleenheid van de automatische transmissie stuurt een signaal naar de motormanagement-computer op het moment dat geschakeld gaat worden. Wanneer het motorstuurapparaat dit signaal van de regeleenheid ontvangt, verlaat deze computer de ontsteking, wat resulteert in een tijdelijke verlaging van het motorkoppel. Hierdoor wordt een soepeler schakelgedrag verkregen. Voor dit hele proces, d.w.z. het verlagen van het motorkoppel en het schakelen zelf, heeft het systeem niet meer dan een halve seconde nodig (fig. 49). Het elek- Figuur 49: Tijdens het schakelen wordt het ontstekingstijdstip verlaat (tek. Seat). trische schema van de automatische versnellingsbak toont ons fig

50 Figuur 50: Elektrisch schema van de automatische versnellingsbak. B/50 startmotor (50), G40 motortoerentalsensor, J207 startblokkeerrelais, N88 magneetklep, D/50 contactslot (50), G68 voertuigsnelheidsensor, J217 computer automaat, N89 magneetklep D/15, contactslot (15), G69 gaskleppotentiometer, J 382 motor computer, N90 magneetklep, F remlichtschakelaar, G93 temp.schak. versn. olie, L79 led indicatie selector, N91 magneetklep, F125 multischakelaar, Pin 12 airco, M16 achteruitrijlichten, N93 magneetklep, G38 n-sensor versn.bak, N110 blokkermagn.selector, M9/M10 remlichten, N207 weerstand, F8 kickdownschakelaar. 50

51 8 Diagnose Elektrische storingen van de automatische transmissie 001 kunnen worden opgespoord door gebruik te maken van de seriële diagnosetester. Met behulp van dit apparaat kan een belangrijk deel van de elektrische installatie van de automatische transmissie worden gecontroleerd. De computer beschikt over een zelfdiagnose-systeem waarmee de werking van alle onderdelen bewaakt wordt. Wanneer de versnellingsbak-computer een storing vaststelt wordt deze in het storingsgeheugen opgeslagen. Vervolgens kan de storing in de werkplaats worden uitgelezen. Zodra een storing optreedt gaat het systeem in de zgn. noodloop. Er worden dan vervangende parameters gebruikt. De zelfdiagnose van het regelapparaat omvat onder meer: Uitvoering regelapparaat uitlezen Storingsgeheugen uitlezen Actuatordiagnose Basisafstelling voorbereiden Storingsgeheugen wissen Meetwaardenblok lezen De belangrijkste zijn: 1) Storingsgeheugen uitlezen In het storingsgeheugen worden storingen opgeslagen die zich voordoen in de meeste sensoren en actuatoren van de automatische versnellingsbak. 2) Basisafstelling voorbereiden De basisafstelling van de automatische transmissie moet worden uitgevoerd na de volgende reparaties: vervanging motor; vervanging motormanagement-computer; vervanging regeleenheid van de automatische transmissie; vervanging van de gaskleppotentiometer. Om de afstelling uit te voeren moet het gaspedaal tot in de kick-downstand worden ingetrapt en gedurende 3 seconden in deze stand worden gehouden. 3) Meetwaardeblok lezen Het meetwaardeblok verschaft informatie omtrent de werking van de afzonderlijke componenten. In veel gevallen kunnen de meetwaarden worden gebruikt om storingen op te sporen en te verhelpen. De functie bestaat uit groepen en indicatievelden. Zie voorbeeld fig Stall-speedtest of blokkeerstest De Stallspeedtest of blokkeertest wordt wel uitgevoerd om de automaat (rembanden en koppelingen) en de koppelomvormer (statorfunctie) te controleren. 51

52 Figuur 51: Meetwaardeblok automatische versnellingsbak Omdat het hier om een extreme belasting gaat wordt deze test niet door alle fabrikanten ondersteund. De stallspeed is het motortoerental dat bij ingeschakelde transmissie (D, R,1,2,3 of 4) bij stilstaand voertuig en volledig ingetrapt gaspedaal en rempedaal bereikt wordt. Nogmaals: Een stall-speedtest mag alleen worden uitgevoerd wanneer deze door de fabrikant wordt toegestaan. 9 Vragen en opgaven 1. Uit welke hoofdcomponenten is een klassieke automatische versnellingsbak opgebouwd? 2. Wat verstaat men onder het kick-down effect? 3. Is het starten van de motor onder alle versnellingsbakstanden mogelijk? 4. Wat is het verschil tussen de D en de 3-stand van de selectiehefboom? 5. Hoe worden de tandwielstelsels genoemd waaruit de automaat is opgebouwd? 6. Wat is de functie van de besturingshydrauliek in een automaat? 7. Waar zijn de schakelmomenten van een versnellingsbak van afhankelijk? 8. Waarom kan een klassieke plaatkoppeling het motorkoppel niet vergroten? 9. Hoe groot is het rendement van een enkelvoudige droge plaatkoppeling wanneer het motortoerental 1500 t/min en het toerental van de koppelingas 500 t/min bedraagt terwijl het over te brengen koppel 50 Nm is. 10. Wat is het verschil tussen een vloeistofkoppeling en een koppelomvormer? 11. Het motorvermogen wordt in de koppelomvormer omgezet in kinetische energie van een oliestroom. Wat wordt daarmee bedoeld? 52