De automatische Versnellingsbak

De automatische Versnellingsbak Door : Blanckaert Brecht Deroo Kees

Inhoudstafel 1 Inleiding 2 Rijden met een automatische versnellingsbak. 2.1 Wat is een automatische versnellingsbak? 2.2 rijsituaties 2.2.1 Het economisch rijden. 2.2.2 Het snel(ler) wegtrekken. 2.2.3 Plankgas wegtrekken. 2.3 De afzonderlijke schakeltrappen 2.3.1 Stand P : (Parking) 2.3.2 Stand R : (Reverse) 2.3.3 Stand N : (Neutral) 2.3.4 Stand D : (Drive) 2.3.5 Stand 2 : 2.3.6 Stand 1 : 3 Globale beschrijving van de werking van de automatische versnellingsbak. 3.1 De koppelomvormer 3.2 Planetaire stelsels 3.3 Besturingseenheid 4 Gedetailleerde beschrijving van de onderdelen 4.1 De koppelomvormer 4.1.1 Algemeen 4.1.2 Werking 4.1.3 Karakteristiek van de koppelomvormer 4.1.4 Invloed van de koppelomvormer op het trekkrachtdiagram 4.2 Planetaire tandwielstelsels 4.2.1 Opbouw 4.2.2 Overbrengingsmogelijkheden 4.2.2.1 Overbrengverhouding van het stertype 4.2.2.2 Overbrengverhouding van het planetaire type 4.2.2.3 Overbrengingsverhouding van het solaire type 4.2.3 Conclusie: 1

afkortingen R z = steekstraal zonnewiel in m R r = steekstraal ringwiel in m R dr = steekstraal drager in m V z = omtreksnelheid zonnewiel in m/s V r = omtreksnelheid ringwiel in m/s V dr = omtreksnelheid drager in m/s Z r = aantal tanden ringwiel Z z = aantal tanden zonnewiel ω z = hoeksnelheid zonnewiel in rad/s ω r = hoeksnelheid ringwiel in rad/s ω dr = hoeksnelheid drager in rad/s Lijst van figuren Fig 4.1 : vloeistofstroom Fig 4.2: onderdelen van de koppelomvormer Fig 4.3 : karakteristiek Fig 4.4 : trekktrachtdiagram Fig 4.5 : opbouw planetair stelsel Fig 4.6: Grafische bepaling van de omtreksnelheden bij het stertype Fig 4.7 : grafische bepaling van de omtreksnelheden bij het planetaire type Fig 4.8 : Grafische bepaling van de omtreksnelheden bij het solaire type 2

1 Inleiding In een file rijden, stoppen en wegtrekken bij verkeerslichten, snel accelereren ten einde te kunnen inhalen, dit zijn zaken die vrijwel elke automobilist kent. Het hoofd, de handen en de voeten moeten tijdens het rijden onder de meest uiteenlopende omstandigheden hun werk doen. Misschien zelfs te veel. Automatische versnellingsbakken kunnen echter veel werk uit handen nemen waardoor op de eerste plaats de veiligheid is gediend. Hoeveel zekerder men zich voelt en hoe meer de zenuwen worden gespaard, kan alleen door het rijden met een automaat worden aangetoond. Het is dan ook niet vreemd dat de automatische bak aan populariteit wint, hoewel in vergelijking met de USA het aantal auto s dat is uitgerust met een dergelijk systeem nog gering is. 2 Rijden met een automatische versnellingsbak. 2.1 Wat is een automatische versnellingsbak? De automatische versnellingsbak is een mechanische versnellingsbak die in samenwerking met een koppelomvormer binnen de vaste overbrengverhoudingen een vrijwel traploze overbrenging mogelijk maakt. De stand van het gaspedaal en het toerental van de motor worden gedurende het rijden voortdurend gecoördineerd. De versnellingsbak kiest automatisch de juiste overbrengverhouding. De automaat neemt dus voor de bestuurder veel werk uit handen, maar deze verliest hierdoor niet de controle over de versnellingsbak. Het volgende voorbeeld legt dit uit - Stel : Men staat voor het rode stoplicht te wachten. De positie Drive is gekozen en het licht wordt groen. Er wordt gas gegeven. De automaat gaat nu schakelen, maar het bevel over de automaat blijft in handen van de bestuurder. We kunnen dan de volgende rijtoestanden onderscheiden: 2.2 rijsituaties 3

2.2.1 Het economisch rijden. Er wordt beheerst en zonder veel gas te geven weggereden. De motor draait in het middelbare toerengebied en de automaat schakelt bij ongeveer 20km/uur van de 1 ste versnelling naar de 2 de versnelling en vervolgens naar de 3 de versnelling. Zuiniger kan men niet rijden. Met deze rijstijl worden auto, geld en zenuwen gespaard. 2.2.2 Het snel(ler) wegtrekken. Er wordt sneller weggetrokken door het gaspedaal dieper in te trappen. De automaat benut de motorenergie en schakelt sneller en later zodat pas bij 40km/uur de 2 de versnelling wordt geselecteerd. Ook de 3 de versnelling komt later. Op deze wijze wordt een grotere acceleratie bekomen. 2.2.3 Plankgas wegtrekken. Men geeft vol gas, dat wil zeggen het gaspedaal wordt door de onderste ruststand heengeduwd. Daardoor komt alle vermogensreserve van de motor beschikbaar. Men krijgt dan de maximale acceleratie van de auto omdat de automaat voor de meest optimale overbrengverhouding zorgt. De selectiehefboom voor de automaat in de bestuurdersruimte kan uiterlijk worden vergeleken met de versnellingspook van een conventionele versnellingsbak. De keuzehefboom kent 6 standen, 3 voor het voorruit rijden, 1 achteruit, 1 vrijstand en een parkeerstand. Het starten van de motor is slechts in de vrijloopstand N (Neutraal) en parkeerstand P mogelijk. Veiligheidshalve slaat de motor niet aan in de andere keuzestanden. Het afremmen op de motor tot stilstand van het voertuig is in alle rij-keuzestanden mogelijk zonder dat de motor afslaat. Alle voorruit versnellingen zijn gedurende het rijden uiteraard zonder gebruik te hoeven maken van een koppeling inschakelbaar. 2.3 De afzonderlijke schakeltrappen 4

2.3.1 Stand P : (Parking) De parkeerstand wordt geselecteerd nadat de auto tot stilstand is gekomen. Door een vergrendelmechanisme in de versnellingbak staat de auto als het ware in een geblokkeerde toestand. 2.3.2 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. 2.3.3 Stand N : (Neutral) Deze stand is de vrijloopstand. De motor en de wielen hebben geen verbinding meer met elkaar. N is de gebruikelijke stand om de auto te starten. 2.3.4 Stand D : (Drive) De meest gebruikte rij-keuzestand. Het wegrijden gebeurt automatisch in de 1 ste versnelling. Afhankelijk van de acceleratie schakelt de versnellingsbak automatisch. 2.3.5 Stand 2 : Deze stand wordt hoofdzakelijk gebruikt tijdens het rijden in bergachtige terreinen en/of onder rij-omstandigheden waarin veel bochtenwerk en acceleratie voorkomt. De automaat schakelt niet verder dan de 2 de versnelling. Ook in het steeds wisselende stadsverkeer kan deze keuzestand nuttig zijn. 2.3.6 Stand 1 : Deze stand wordt gebruikt bij het rijden van bergpassen en het nemen van steile hellingen of bij het uitrijden van garages etc. De automaat selecteert uitsluitend de 1 ste 5

versnelling, waardoor de auto slechts langzaam rijdt of er nu veel of weinig gas wordt gegeven. 3 Globale beschrijving van de werking van de automatische versnellingsbak versnellingsbak. De automatische versnellingsbak bestaat uit drie hoofdcomponenten: 1. De hydrodynamische koppelomvormer 2. Drie planetaire stelsels voor 4 versnellingen(verschillend naarmate het aantal versnellingen) 3. Het besturingsgedeelte 3.1 De koppelomvormer Deze vervangt de plaatkoppeling zoals we die kennen bij de klassieke handgeschakelde versnellingbak. De omvormer werk in tegenstelling tot de plaatkoppeling met olie en is totaal wrijvingsloos. Hij brengt het moment dus van de motor over op de versnellingsbak wanneer nodig. 3.2 Planetaire stelsels Achter de in alle versnellingen werkende koppelomvormer zijn er naargelang het aantal versnellingen, een aantal tandwielstelsels gemonteerd. De hydraulische lamellenkoppelingen dienen als schakelelement. Door de ingebouwde vrijloopsystemen geschiedt het overschakelen zonder dat het motorkoppel behoeft te worden onderbroken. 3.3 Besturingseenheid Deze eenheid met onderandere de selectieplunjer, de stuurplunjers en de drukregelkleppen is normaal in het onderste gedeelte van het versnellingshuis ondergebracht. Het gehele systeem werkt elektro-hydraulisch en staat meestal onder controle van een microcomputer(die we niet nader zullen bespreken) 6

4 Gedetailleerde beschrijving van de onderdelen 4.1 De koppelomvormer 4.1.1 Algemeen De koppelomvormer verbindt de motor met de versnellingsbak. Hij neemt de functie over van de klassieke droge plaatkoppeling en vergroot bovendien het door de motor afgegeven koppel. Het opgenomen koppel is tijdens het stationair draaien gering en neemt toe met het oplopen van het motortoerental tot het maximum motorkoppel. De koppelvergroting is bij stilstaand voertuig het grootst en neemt af wanneer het verschil tussen motortoerental en uitgaande as van de koppelomvormer kleiner wordt. Wanneer we een koppelomvormer vergelijken met een vloeistofkoppeling dan valt op dat de koppelomvormer behalve het ook bij de vloeistofkoppeling bekende pomp- en turbinewiel tevens een statorwiel bezit. Tussen het pompwiel en het turbinewiel kan men ook een overbruggingskoppeling(lock-up koppeling) aantreffen die boven een bepaald toerental van de versnellingsbak wordt bekrachtigd en zo beide schoepenwielen met elkaar verbindt, waardoor een vaste mechanische overbrenging ontstaat. In dit geheel circuleert voortdurend de werkvloeistof(hydraulische olie) welke wordt verkregen vanuit het hydraulische systeem van de automaat(toe- en afvoerkanalen a & b). De warmte door de temperatuurverhoging van de olie die ontstaat wanneer de koppelomvormer werkzaam is kan zonodig via een oliekoeler worden afgevoerd. 4.1.2 Werking De vloeistofstroom in de koppelomvormer tijdens het wegrijden a. pompwiel b. turbinewiel c. stator Fig 4.1 : vloeistofstroom 7

Ter verduidelijking is het pompwiel aan de krukas van de motor bevestigd, het turbinewiel aan de ingangsas van de transmissie en het statorwiel staat altijd in vrijloop. In de omvormer wordt de stroming van de olie gebruikt om de energie over te brengen van de motor naar de versnellingsbak. De olie circuleert in een gesloten circuit van het pompwiel naar het turbinewiel en keert naar het pompwiel terug via het statorwiel. De schoepen van de stator buigen de uit het turbinewiel tredende olie af en wel zo dat de beweging overeen komt met de met de draairichting van het pompwiel. De koppeling zonder statorwiel bestaat ook( vloeistofkoppeling), maar hier hebben we een probleem. De pompschoepen die aanvankelijk sneller draaien dan de turbineschoepen( bij het optrekken) halen de turbineschoepen in zodat de oliestroom tegen de naderende pompschoepen botst. Hierdoor wordt de pomp afgeremd en dus ook de motor. Dus is de stator noodzakelijk om de olie in de gewenste richting te laten terugkeren. Ook door deze extra bewegingsverandering in het statorwiel maakt het mogelijk dat de oliestroom zich als het ware afzet, waardoor een vergroting van het toegevoerde motorkoppel plaatsvindt. De omkering van de vloeistofstroom in de stator en 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 verandert. Wanneer het pompwiel en het turbinewiel bijna een gelijk toerental bereikt hebben treed de lock-up koppeling in werking, waardoor beide wielen een gelijk toerental verkrijgen. Het motorkoppel kan direct op de aangedreven as worden overgebracht waardoor er is dus geen slip meer. De olie zal nu gewoon met de beide wielen meedraaien en de stator zal in deze richting meedraaien met hetzelfde toerental als de andere. 8

a. olietoevoer b. olie-afvoer 1. krukas 2. meenemer 3. deksel van koppelomvormer 4. plunjer 5. lamellen 6. turbinewiel 7. pompwiel 8. statorwiel 9. vrijloopmechanisme 10. statoras 11. pompwielflens 12. aandrijfas 13. vliegwiel Fig 4.2: onderdelen van de koppelomvormer 4.1.3 Karakteristiek van de koppelomvormer De eigenschappen van een koppelomvormer kunnen in een grafiek worden weergegeven. In deze grafiek zijn een drietal variabelen weergegeven n.l. het rendement, het ingaande motortoerental en de koppelvergrotingsfactor, dit alles in functie van de toerentalverhouding T=Nturbine/Npomp. Deze verhouding kunnen we eigenlijk vergelijken met de slip van de koppelomvormer. Bij de meeste koppelomvormers(met statorwiel) geldt dat de koppelvergrotingsfactor ongeveer 2 bedraagt op het moment van optrekken, en neemt dus af naarmate het turbinewiel begint mee te draaien. Wanneer de oliestroom op de achterzijde van de stator komt en deze begint mee te draaien, is de vergrotingsfactor gelijk aan 1 geworden. Dit bedrijfspunt ligt bij de moderne 9

koppelomvormers ongeveer bij een toerenverhouding van 0.86 à 0.91 en wordt het koppelingspunt genoemd. Boven dit koppelingspunt werkt deze koppeling als een vloeistofkoppeling(zonder stator) en bereikt dan een rendement van maximaal 98% als er geen lock-up aanwezig is. Met een lock-up kan je natuurlijk 100% halen. Fig 4.3 : karakteristiek 4.1.4 Invloed van de koppelomvormer op het trekkrachtdiagram Het trekkrachtdiagram van hieronder waarin de maximale trekkracht van de aangedreven wielen is uitgezet tegen de rijsnelheid, geeft ons enige indruk omtrent de invloed van de koppelomvormer op de maximaal beschikbare trekkracht. In de grafiek is tevens de benodigde trekkracht(luchtweerstand+rolweerstand) uitgezet, waarbij dan het snijpunt van deze twee curven de maximale rijsnelheid geeft. Omdat de koppelvergrotingsfactor snel afneemt, zien we in de grafiek dat bij ongeveer 40 km/h de invloed hiervan verdwenen is. 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 bijhorende trekkrachtverandering geleidelijk gebeurt, hetgeen de souplesse ten goede komt. 10

Een voorbeeld van een trekkrachtdiagram van een auto met een automatische versnellingsbak met drie versnellingen Fig 4.4 : trekktrachtdiagram 4.2 Planetaire tandwielstelsels 4.2.1 Opbouw 1.ringwiel 2.satellietwiel 3.zonnewiel 4.drager Fig 4.5 opbouw planetair stelsel 11

Zoals reeds opgemerkt is het turbinewiel van de koppelomvormer verbonden met de versnellingsbak. Dit versnellingsbaktype is opgebouwd uit meerdere planetaire tandwielstelsels, die in een zekere samenhang zorgdragen voor drie of vier vaste overbrengingsverhoudingen. Het geheel is qua functie maar zeker niet qua opbouw vergelijkbaar met een conventionele versnellingsbak. Een enkel planetair tandwielstelsel bestaat uit een zonnewiel, een ringwiel en een aantal(meestal 3) satelliettandwielen, die bevestigd zijn op een drager. De satelliettandwielen kunnen vrij roteren om de asjes van de drager. Aangezien het geheel in elkaar grijpt zal het niet verwonderlijk zijn dat de grootte van de tandwielen een zekere relatie hebben. 4.2.2 Overbrengingsmogelijkheden Het bijzondere van een planetair tandwielstelsel is het feit, dat door het vastzetten van een onderdeel(drager,ringwiel of zonnewiel) een andere overbrengverhouding kan worden verkregen. Wanneer we nu ook nog rekening houden met het aandrijvende en aangedreven gedeelte kunnen we een zestal overbrengingverhoudingen met behulp van 1 stelsel verkregen worden. Hoewel deze overbrengingsverhoudingen voor de autotechniek niet altijd direct bruikbaar zijn, is het mogelijk om een drie-versnellingsbak met achteruit te construeren met 1 enkel planetair tandwielstelsel. We maken dan gebruik van een aantal veel gebruikte overbrengingsopstellingen. Een drietal planetaire opstellingen zijn: Het stertype: De drager staat vast. Het zonnewiel is drijvend. Het ringwiel wordt gedreven. Het planetaire type: De drager wordt gedreven. Het zonnewiel is drijvend. Het ringwiel staat vast. 12

Het solaire type: De drager wordt gedreven. Het zonnewiel staat vast. Het ringwiel is drijvend. 4.2.2.1 Overbrengverhouding van het stertype We stellen: ringwiel met 110 tanden en een zonnewiel met 50 tanden. Fig 4.6: Grafische bepaling van de omtreksnelheden bij het stertype In de figuur hierboven is het principe van een stertype-stelsel weergegeven. Om gemakkelijk te zijn 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 vaststaat. Het drijvende zonnewiel zal bij rotatie een omtreksnelheid hebben van v z m/s, in de figuur voorgesteld door een snelheidsvector van een bepaalde, maar overigens willekeurige lengte. Deze omtreksnelheid v z zal bij in elkaar grijpende tandwielen overal aan de omtrek dezelfde 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: 13

Vgl1: i=ω z /ω r =(v z /r z ):(v r /r r ) aangezien v z = v r = v kan het geheel worden uitgerekend: i=v z /25:v r /55=-2.2 =>het minteken geeft hier aan dat de draaizin omgekeerd is. =>deze overbrengverhouding kan als achteruitversnelling worden gebruikt (omkeren draaizin) 4.2.2.2 Overbrengverhouding van het planetaire type We behouden hetzelfde stelsel van 110:50 Fig. grafische bepaling van de omtreksnelheden bij het planetaire type Fig 4.7 : grafische bepaling van de omtreksnelheden bij het planetaire type In deze overbrengsituatie staat het ringwiel vast, terwijl het zonnewiel door het turbinewiel van de koppelomvormer wordt aangedreven met een omtreksnelheid v z. In deze situatie zullen de satellietwielen tevens om de as van de drager draaien, ze maken 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 de figuur worden bepaald, waarna duidelijk is te zien dat de 14

omtreksnelheid van de drager de helft van de omtreksnelheid van het zonnewiel bedraagt. De overbrengverhouding laat zich weer op gelijke wijze bepalen. Met vgl1 en met 2v dr = v z i = 2v z /25:v z /40 = 3.2 =>Waarbij de draairichting hetzelfde blijft. => Deze vertraging zou bijvoorbeeld kunnen gebruikt worden voor een eerste versnelling. 4.2.2.3 Overbrengingsverhouding van het solaire type We behouden hetzelfde stelsel van 110:50 Door het vastzetten van het zonnewiel zal het aandrijvende ringwiel de satellietwielen meenemen. De satellietwielen zelf zetten zich dan af tegen tegen de tanden van het geblokkeerde zonnewiel waardoor de drager wordt gedreven. Wanneer we de omtreksnelheid van het ringwiel weer v r stellen dan kan op dezelfde wijze de omtreksnelheid van de drager worden bestudeerd. Fig 4.8 : Grafische bepaling van de omtreksnelheden bij het solaire type 15

v = v r = 2v dr Met vgl1: i= (v r /55):(0,5v r /40) = 1,45 =>Een overbrenging die als tweede versnelling zou kunnen worden gebruikt. 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. 4.2.3 Conclusie: Met één planetair stelsel kunnen we dus de volgende versnellingen creëren: Het stertype i = -2,2 achteruitversnelling Het planetaire type i = 3,2 1 e versnelling Het solaire type i = 1,45 2 e versnelling Alles geblokkeerd i = 1 3 e versnelling 16

literatuurlijst boek automatische versnellingsbakken, E. Gernaat, 1989, Overberg, Delta Press Sites http://auto.howstuffworks.com/automatic-transmission.htm 17