Převodovka a spojka

[Mirek]

Konečně se dostávám k napsání článečku o spojkách a převodovkách, který bude rozdělen na více částí, protože je výjimečně extra krátký. Hned na úvod upozorňuji čtenářskou obec, že zde nenajde vzorce pro výpočet spojky nebo převodovky, jelikož jsou na to daleko lepší publikace a počítačové programy, kromě toho nepředpokládám že si někdo bude chtít spojku nebo převodovku sám vyrábět. Budu se snažit opět vysvětlit funkci jednotlivých částí převodovky a jak to kde dělají.

 Spojka

 Spojka je zařízení, které slouží ke krátkodobému odpojení motoru od převodovky. Toto odpojení k umožnění rozjezdu vozidla a řazení převodových stupňů, případně odpojení převodovky při startu vozidla, kdy ztuhlý olej v převodovce zvyšuje odpor při spouštění motoru. Spojka je řešena jako třecí, přenos výkonu je zabezpečen pouze velikostí tření mezi jednotlivými díly. Skládá se z přítlačného kotouče s přítlačnou pružinou a klecí spojky a hnaného kotouče (lamely) s třecím obložením. Spojka přenáší otáčivý pohyb a tak jsou všechny třecí plochy kotoučové. K ovládání spojky je nezbytné vypínací ložisko. Spojka se montuje na setrvačník motoru, který zároveň slouží jako druhá třecí plocha pro lamelu spojky.
Terminologie – zapnutá spojka je spojka přenášející výkon (ovládací pedál uvolněn), vypnutá spojka je spojka výkon nepřenášející (sešlápnutý pedál).

 Spojky rozdělujeme na suché, mokré (olejové) a kapalinové (hydrodynamické). Dnes převažují spojky suché, mokré spojky se používají hlavně u motocyklů. Kapalinové spojky se používají ve spojení s automatickou převodovkou, umožňují rozjezd vozidla bez ovládání pedálem pouze zvýšením otáček motoru. Jejich hlavní nevýhodou je trvalý prokluz ve výši asi 10%, což vytváří další ztráty v převodovém ústrojí. Moderní kapalinové spojky jsou proto vybavovány přemostěním, které se automaticky aktivuje po rozjezdu vozidla.

 Principem funkce třecí spojky je přenos výkonu pouze třením, které se vyvozuje svíráním hnaného kotouče mezi setrvačník motoru (polovina třecí plochy) a přítlačný kotouč (druhá polovina třecí plochy). U spojky je hlavní veličinou pro výpočet velikosti přenášený točivý moment motoru. Z fyziky vyplývá, že přenosu většího výkonu dosáhneme při celkové konstantní přítlačné síle buď zvětšením třecí plochy, nebo při konstantní ploše zvýšením přítlaku, případně použitím materiálů s větším koeficientem tření.

První řešení je vhodné pro zvýšení životnosti spojky, druhé ke zmenšení rozměrů spojky. Třetí řešení je nejméně použitelné, protože dnes používané materiály jsou na horní hranici třecího koeficientu, nároky na životnost a provozní vlastnosti omezují použití materiálů jiných a proto se nedá jednoduše změna materiálu provést. Zvýšení přítlaku ale zvýší nároky na ovládací sílu při vypínání. Pokud potřebujeme spojku lehkou a malou s nízkou ovládací silou, jsem nuceni použít vícelamelové provedení. Vícelamelová spojka je ale dražší a proto se používá jen u drahých supersportů nebo tam, kde už není dostatek prostoru pro potřebný velký průměr lamely přenášející extrémní výkon. Vícelamelové provedení je ale často nutností u spojek mokrých, kde se musí plocha výrazně zvětšit pro menší součinitel tření u mazaných ploch a zmenšení rozměrů.

 Třecí materiály se v posledních desetiletích ustálily na kombinaci kov (ocel, litina) a nějaký druh azbestového obložení s měděným vláknem. Z důvodu karcinogenity azbestových vláken určité velikosti se od použití azbestu upustilo a materiál byl použit zcela odlišný, ovšem jeho vlastnosti jsou lepší. Podmínkou správné funkce suchých spojek je nutnost mít spojku skutečně suchou, jakékoli zamaštění způsobí pokles koeficientu tření na méně než polovinu. Posledním výkřikem technologie obložení spojky jsou materiály na keramické nebo uhlíkové bázi, mají sice vynikající vlastnosti, ale také tomu úměrnou cenu.

 Konstrukce suché spojky:

 Hnaný kotouč (lamela) je vyroben s ocelového plechu, který má zvlněný okraj. Toto zvlnění je důležité pro pružnost lamely, progresivní účinek sil při stlačování výrazně zlepšuje funkci při rozjezdu vozidla. Tento plech je přinýtován na náboji, který se pohybuje axiálně na drážkovaném hřídeli převodovky. Oboustranné obložení je na plech přinýtováno. Zapuštění nýtů udává maximální možnou velikost opotřebení obložení.

Při přenosech větších výkonů se spojka vybavuje ještě torzními pružinami, kdy mezi nábojem a plechem s obložením je další plech, přenos výkonu se děje přes pružiny umožňující malé pootočení, které v součinnosti s třením mezi oběma plechy (přídavné třecí prvky) snižuje přenos rázů. Lamela nesmí vykazovat axiální házivost, povolené jsou hodnoty okolo 0,05 – 0,07 mm (jinak nelze zajistit plynulý rozjezd vozidla, vozidlo silně cuká, rozjezd je možný pouze bez přidání plynu s velmi citlivým ovládáním spojky). Lamela se dynamicky a staticky vyvažuje.

 Přítlačný kotouč je robustní litinový nebo ocelový odlitek, který je připevněn s klecí spojky na setrvačník motoru. Jeho hmotnost se přičítá k hmotnosti setrvačníku, který o to může být lehčí. Přítlačný kotouč se nemůže vůči setrvačníku otáčet, ale může se pohybovat axiálně, což je nutné pro funkci spojky. Třecí plocha se rozděluje rovným dílem mezi přítlačný talíř a setrvačník. O házivosti třecích ploch platí totéž co o házivosti lamely. Přítlačnou sílu vyvolávají válcové pružiny, umístěné v komůrkách klece spojky. Axiální posuv (vypínání a zapínání spojky) přítlačného kotouče se děje pomocí vypínacího ložiska spojky a vypínacích páček, jde o dvojzvratné páky připevněné na kleci spojky, se kterou se otáčí. Tato konstrukce je rozebíratelná a umožňuje výměnu jednotlivých částí spojky.

Válcové pružiny vyvíjejí sílu úměrnou jejich stlačení, při postupném úbytku třecího obložení lamely dochází k oddálení přítlačného kotouče od klece, pružiny jsou tak méně stlačené a přítlačná síla úměrně tomu klesne. Vypínací páčky se více vykloní směrem k ložisku a je nutné jejich seřízení (pedál spojky zabírá příliš nahoře). Při přesoustružení přítlačného kotouče se situace ještě více zhorší a je nutné pružiny o velikost opracování podložit. Ve vysokých otáčkách působí na pružiny síly kolmé k jejich ose a pružiny se odstředivou silou přitláčejí na stěny komůrek, to vše negativně ovlivňuje zapínání a vypínání spojky.

Z těchto důvodu se přešlo na spojky s talířovou pružinou, která tyto nectnosti nemá, naopak díky své sedlové charakteristice se její přítlak s opotřebením lamely zvyšuje a odstředivá síla ve vysokých otáčkách spojce nevadí. Další její výhodou je menší ovládací síla. Talířová pružina ale nejde nijak vypodložit při opracování přítlačného kotouče a tak se vyrábí jako nerozebíratelný (snýtovaný) komplet obsahující klec, talířovou pružinu a přítlačný kotouč. Při výměně lamely se mění i celý komplet přítlačného kotouče, tedy vlastně se vymění celá spojka včetně vypínacího ložiska. Vypínací ložisko má sice stejnou základní konstrukci pro obě provedení spojek, ale nedá se zaměnit. Pro spojku s vypínacími páčkami stačí rovinná čelní plocha vypínacího ložiska, talířová pružina potřebuje na dotyk se svými lamelami tvar styčné plochy vypínacího ložiska s půlkruhovým výstupkem.

Podmínkou správné činnosti spojky je také dodržení předepsaného zahloubení pro spojku v setrvačníku, které se musí po opracování třecí plochy setrvačníku před výměnou spojky dodržet. O kolik jsme tedy ubrali na třecí ploše, o stejnou hodnotu musíme ubrat i na ploše pro přišroubování klece spojky. Pokud toto nedodržíme, klesne výsledná přítlačná síla a talířová pružina nebude ve správné poloze, při větší rozdílu mohou nastat problémy s vypínáním spojky, které se projeví ve větším opotřebení lamel ve styku s vypínacím ložiskem.

 Konstrukce mokré spojky:

 Mokrá spojka se používala v dřevních dobách automobilizmu, kdy relativně elegantně řešila problém s nevhodnými třecími materiály. Výroba mokrých spojek je ale náročnější a tak se postupně přešlo na azbestové materiály, které se používaly u brzdových obložení. Před tím se zkoušela tvrzená pryž a další v té době známé materiály, které ale neměly požadovanou životnost. Mokrá spojka je vícelamelová, kdy sudé lamely mají vnitřní drážkování a jsou axiálně posuvné na hnacím hřídeli, liché lamely (celkový počet je lichý) mají drážkování na obvodu, které zapadá do drážek bubnu, na kterém bývá často i vnější ozubení pro pohon převodovky. Přítlak je vytvářen pružinami. Vypínaní spojky se řeší pomocí tyčky a kuličky, procházející dutým hnacím hřídelem.

Lamely jsou ponořeny v olejové lázni, která má dvě funkce – zlepšuje plynulost záběru při rozjezdu a odvádí teplo z malého prostoru spojky. Lamely bývají ocelové, kalené a broušené, nebo se používá korek. Korek se buď na lamely lepí, častěji se po jednotlivých segmentech vkládá do tvarovaných otvorů v unášených kotoučích. Mezery mezi segmenty korku slouží k rychlému vytlačení oleje z třecích ploch. Korkové obložení má vyšší koeficient tření než samotná ocel, který klesne při zaolejování pouze nepatrně a tak může mít taková spojka lamel méně, než když jsou použity pouze broušené lamely ocelové. Spojka tanku T 55 měla 37 lamel (19 vnějších a 18 vnitřních). Mokré spojky se používají u motocyklů ve velké míře a mají společnou olejovou náplň s motorem a převodovkou.

 Hydrodynamická spojka:

 Tato spojka se od ostatních spojek liší tím, že nemá mezní stavy – není nikdy úplně vypnutá a nebo úplně zapnutá. Přenos výkonu je realizován pomocí speciální kapaliny, využívá se tření v kapalině a dynamického účinku kapaliny v lopatkovém kole. Spojka má samoregulaci přenosu výkonu, která je závislá na otáčkách.

Převodovky:

Převodovka obecně slouží ke změně otáček motoru. Změnou otáček dosahujeme zvýšení síly (kroutícího momentu) pohonné jednotky při snížení úhlové rychlosti výstupní hřídele, nebo také naopak. Teoreticky platí, že přenesený výkon je stejný, pouze se zvýší síla na hřídeli při poklesu otáček, nebo se síla zmenší při zvýšení otáček. Prakticky je přenos výkonu vždy ztrátový vlivem účinnosti převodu. Dobrá převodovka je ta, která má celkovou účinnost vyšší než 93%. Celkové ztráty v převodech při pohonu jedné nápravy by neměly příliš klesnout pod 85%. Uvedená čísla platí pro převodná ústrojí osobních automobilů, u nákladních vozidel určených pro jízdu v terénu vychází často účinnosti ještě nižší, ukázkovým příkladem je Praga V3S, která má ještě v každém ze šesti kol redukční převod, který je nutností z důvodu použití portálových náprav pro zvýšení světlé výšky vozu.

Teď maličko teorie. Na obr. 9 je znázorněna křivka požadované hnací síly na nápravě pro provoz vozidla. Největší tažná síla je v nejnižší rychlosti, nejnižší při rychlosti nejvyšší. Křivka udává plynulou změnu převodového poměru za jízdy při konstantním výkonu motoru, tedy jak je nutné změnit velikost točivého momentu v závislosti na jízdních odporech (nastaví-li se určitý výkon motoru – otáčky a otevření škrtící klapky, změna převodu podle uvedené křivky zajistí udržení konstantních otáček motoru podle profilu cesty, rychlost se sice bude měnit, a to docela výrazně podle stoupání a klesání, ale motor bude provozován v optimálním režimu ohledně spotřeby paliva).

Tato rovnoosá hyperbola je základní křivkou, od které se odvíjí návrh převodovky. Skutečná křivka hnací síly musí být shodná, nebo lépe nad průběhem uvedené křivky. Leží-li skutečná křivka hnací síly nad touto křivkou, zůstává rezerva pro akceleraci nebo jízdu do stoupání. Vzdálenost od této křivky by ale neměla být nadměrná, protože v tom případě by byl převod příliš předimenzovaný a motor by neběžel v optimálním režimu. Pokud leží skutečná křivka pod hyperbolou, není vozidlo schopné provozu jinak než jízdou po rovině nebo z kopce (hnací síla vychází menší, než je potřebná síla pro překonání jízdních odporů).

Automatické (samočinné) převodovky:

Jak jsem se zmínil už v I. části článku, nejmenší počet převodových stupňů pro optimální využití výkonu motoru je sedm. Konstrukce sedmistupňové převodovky není nic neřešitelného technicky ani cenově, ale problém je v uživatelích. Řadit správné převodové stupně vždy v optimální dobu je pro velkou většinu řidičů, z nichž mnozí nemají vůbec technický cit, velkým problémem a proto je nutné takové převodovky vybavit automatickým řazením. Automatické řazení u klasické převodovky je ale další technickou komplikací, protože převodovky této konstrukce nejsou schopné řazení bez přerušení přenosu výkonu, je nutné motor od převodovky krátce odpojit. Z tohoto důvodu byla vyvinutá převodovka s hydrodynamickou spojkou s měničem momentu a planetovými soukolími. Tato konstrukce převodovky vznikla již před desítkami let, převodovky byly pouze třístupňové, protože se využívalo schopnosti měniče momentu překlenout určité fáze chodu motoru. Měnič je svou schopností násobit točivý moment vlastně dalším převodovým stupněm, proto tři převodové stupně stačí.

Tehdy se na ekonomiku provozu příliš nehledělo, důležitý byl komfort jízdy. Ovládání vozu bylo zbaveno spojkového pedálu, stačilo pouze sešlápnout pedál plynu a automatika zajistila plynulý rozjezd. Při přeřazování bylo ještě cítit určité trhnutí, které ale nebylo tak nepříjemné jako trhnutí při nesprávném řazení klasickým způsobem. K přeřazování jednotlivých stupňů se využívalo hydraulických elementů v závislosti na rychlosti jízdy a otáčkách motoru, pomocí páky na středovém tunelu se volil režim řazení. Obecně měla vozidla s automatickými převodovkami nižší dosažitelnou rychlost, menší akceleraci a asi o 10 – 15% vyšší spotřebu. Pro vysokou cenu se těmito převodovkami vybavovaly vozidla vyšších cenových kategorií. Později se začaly používat převodové stupně čtyři a měnič momentu se u poslední rychlosti přemostil, tím se omezily ztráty prokluzem, spotřeba paliva poklesla.

Poslední typy hlavně evropských automatických převodovek mají až pět převodových stupňů a měnič se překlenuje už od třetího stupně. Automatickými převodovkami se dnes vybavují i vozidla nižších cenových kategorií, ale jen některé modely a převážně na přání. Vrcholem je zatím sedmistupňová převodovka se dvěma zpětnými chody a překlenováním měniče momentu na všech převodových stupních Mercedes – Benz 7G – Tronic (obr. 22). Řazení je dnes řízeno elektronicky v součinnosti s ECU motoru. Změna převodu je nepostřehnutelná, zjistitelná pouze změnou otáček motoru. Obecným problémem automatických převodovek je jejich větší složitost a hmotnost, k řazení se používá soustava spojek a brzd, kterými se mění funkce jednotlivých částí planetových soukolí a tím změna převodu. Důležité je mít v převodovce dostatečné množství předepsaného oleje, používá se speciální typ pro automatické převodovky, v současnosti je to olej plně syntetický.
Největším výrobcem samočinných převodovek klasické konstrukce jsou dnes Japonci.

Hydrodynamický měnič momentu:

V principu jde o hydrodynamickou spojku doplněnou reakčním členem. Reakční člen slouží k usměrnění proudu kapaliny z turbíny do lopatkového kola nebo naopak. Častější bývá první případ, protože je reakční člen blízko osy výstupního hřídele a není složité ho spojit se stojící skříní. Moment na výstupním hřídeli se rovná momentu motoru a momentu reakčního kola. Lopatky ve všech kolech nejsou radiální, ale vhodně zakřivené. Čím více se lopatky zakřiví, tím většího znásobení momentu se dosáhne. Každá teorie ale má své meze a tak se v praxi dosahuje pouze 2 – 3násobného znásobení momentu. Na obr. 20 je znázorněn průběh proudění v násobiči momentu. Problém nastává při převodovém poměru měniče 1 : 1, kdy je účinnost přenosu sil nízká.

Řeší se to uložením reakčního kola na volnoběžku, která se při dosažení převodového poměru 1 : 1 uvolní, reakční kolo je unášeno kapalinou a měnič se stává klasickou hydrodynamickou spojkou, čímž se účinnost systému zlepší. V některých případech se použije několik reakčních kol za sebou a uvolňují se postupně, tím se dosáhne zlepšení účinnosti v širokém rozsahu převodového poměru. Princip činnosti je na obr. 21. Tento typ měniče ale pracuje s větším prokluzem a někdy se nestačí ztrátové teplo vyzářit pláštěm, z tohoto důvodu se používá přídavné olejové čerpadlo, které prohání olej z měniče přes zvláštní olejový chladič.

Problémem hydrodynamických spojek je trvalý přenos i minimálního výkonu, vozidlo se může samovolně rozjet pokud nezařadíme parkovací režim, kdy je výstupní hřídel mechanicky zablokován. Stalo se několikrát, že majitel při nastartovaném motoru zapomněl zvolit pákou parkovací polohu a ponechal tak režim D, vystoupil z auta, které se rozjelo a způsobilo značné škody, dokonce i smrtelné úrazy kdy přejelo i vystoupivšího řidiče. Kdo vlastníte vůz se starší konstrukcí automatické převodovky, která ještě neměla elektronické zajištění proti pohybu, kontrolujte polohu volící páky před vystoupením z vozu, nebo nejlépe vypínejte vždy motor.

Protože není hydrodynamická spojka schopna přenosu výkonu obráceným směrem, je doplňována spojkou třecí, ovšem ovládanou automaticky. Měnič potom pracuje bez skluzu. Takto je umožněno brzdění motorem a případné roztláčení vozidla. Blokování měniče se používá i při jízdě vpřed pro snížení ztrát, blokují se většinou jen nejvyšší převodové stupně.