Hoe automatische transmissies werken: Koppelomvormers, versnellingen en wisselen uitgelegd

Bestuurders die nog nooit een koppelingspedaal hebben ingetrapt, vertrouwen toch op een reeks mechanische en hydraulische onderdelen die elke keer in werking treden wanneer de auto start of van snelheid verandert. De kern van elke automaat omvat twee taken: de motor stationair laten draaien zonder de auto af te slaan, en de verhouding tussen motortoeren en wieltoeren veranderen zonder dat de bestuurder een versnelling selecteert.

De koppelomvormer doet het werk van de koppeling

Bij het meest voorkomende type automaat wordt een mechanische koppeling vervangen door een gesloten, vloeistofgevulde behuizing die een koppelomvormer wordt genoemd. Volgens de referentiebron How a Car Works bevat deze drie hoofdonderdelen: een fluweel dat aan de vliegwiel van de motor is gebout, een turbine die is verbonden met de invoeras van de transmissie, en een centrale reactor die is voorzien van een vrijloop.

Terwijl het fluweel met de motor meedraait, slingert het transmissievloeistof naar buiten in de turbine, die de transmissieinvoeras doet draaien. Bij lage motortoeren blijft de reactor stilstaan en leidt de vloeistof terug naar het fluweel, wat het koppel vermeerdert en de auto helpt vanaf stilstand weg te rijden. Zodra de motortoeren stijgen, draait de reactor vrij en werkt de omvormer eenvoudig als een vloeibare vliegwiel, aldus How a Car Works.

Australische nieuwsbron CarsGuide rapporteert dat deze vloeistofverbinding de reden is dat automaten met koppelomvormers glad aanvoelen en sterk trekkoppel leveren bij lage toeren. Het nadeel was historisch een lagere efficiëntie dan een directe mechanische verbinding, daarom voegen de meeste moderne koppelomvormers een 'lock-up'-functie toe zodra de auto op snelheid is, wat het fluweel en turbine mechanisch verbindt om vermogensverlies te verminderen, aldus CarsGuide.

Planetaire tandwielen veranderen de overbrengingsverhouding zonder van versnelling te wisselen

Zodra het vermogen de transmissie bereikt, gaat het door een of meer planetaire (epicyclische) tandwielstellen. How a Car Works beschrijft deze als een centraal zonnewiel, een buitenring met interne tanden, en een set kleinere planeetwielen die met beide in elkaar grijpen. Alle drie onderdelen zijn altijd in contact, dus de transmissie hoeft nooit een paar tandwielen fysiek in te schakelen of uit te schakelen zoals een handschakeling doet.

In plaats daarvan houden hydraulisch bediende remmen en multischijfkoppelingen verschillende onderdelen van het tandwielstел vast of laten ze vrij draaien. How a Car Works somt de basiscombinaties op: het vergrendelen van het zonnewiel terwijl de drager de planeetwielen aandrijft, levert een toerental verhoging op; het vergrendelen van de ring en het aandrijven van het zonnewiel levert een toerental verlaging op; het toevoeren van vermogen aan het zonnewiel terwijl de planeetdrager wordt geremd, levert achteruitgang op; en het vergrendelen van het zonnewiel en de ring samen levert directe overbrenging op, een 1:1 verhouding.

Een enkel tandwielstел dat op deze manier wordt gebruikt, kan al meerdere overbrengingsverhoudingen leveren. Het combineren van twee epicyclische stellen, de eenvoudigste klassieke lay-out, kan drie vooruitgangssnelheden leveren, aldus How a Car Works; fabrikanten verbinden meer stellen en koppelingen aan elkaar om de vijf-, zes-, acht-, negen- en tienversnellingen te bereiken die tegenwoordig gewoon zijn in auto's.

Hydraulica en elektronica bepalen wanneer te schakelen

De vergrendelingsvolgorde in de transmissie wordt geactiveerd door hydraulische druk op de remmen en koppelingen, geleid door wat How a Car Works een complexe opstelling van hydraulische kleppen noemt. Bij oudere ontwerpen reageren deze kleppen mechanisch op motorbelasting, wegsnelheid en gaspositie; een 'kickdown'-mechanisme forceert een lagere versnelling voor extra versnelling wanneer het gaspedaal volledig wordt ingetrapt. In moderne auto's voeren elektronische sensoren en een besturingscomputer dezelfde taak uit, ze openen en sluiten magneetkleppen om elke schakeling op tijd uit te voeren.

Drie verschillende manieren om een automaat te bouwen

Niet elke zelfschakkelende transmissie werkt op dezelfde manier. CarsGuide verdeelt moderne automaten in drie hoofdfamilies, plus een ouder, grotendeels vervallen vierde type.

• Automaat met koppelomvormer — gebruikt de hierboven beschreven vloeistofkoppeling; sterk lagetoerenkoppel en soepele schakelingen, te vinden in merken als Mazda en Lexus, aldus CarsGuide.
• Dubbelkoppelingsautomaat (DCT) — eigenlijk twee handschakelingen die één behuizing delen, elk met zijn eigen koppeling; één versnelling is voorgeselecteerd terwijl de ander is ingeschakeld, dus het systeem wisselt koppelingen om in milliseconden met minimaal koppelverlies. CarsGuide noemt de Volkswagen DSG, Nissan GT-R, Ferrari 488 GTB en McLaren 650S als voorbeelden.
• Continu variabele transmissie (CVT) — heeft helemaal geen vaste versnellingen; een riem of ketting loopt tussen twee katrollen waarvan de effectieve diameter verandert, wat volgens CarsGuide een werking 'als een elastiekje op een verkeerskegel' oplevert en theoretisch onbeperkte overbrengingsverhoudingen voor maximale brandstofefficiëntie.
• Enkelvoudige koppeling geautomatiseerde handschakeling — een ouder ontwerp waarin een computer één koppeling op een conventionele handschakeling bedient; CarsGuide beschrijft de schakelingen als schokkerig en vertraagd en zegt dat dit type nu grotendeels verouderd is.

Ter vergelijking: CarsGuide merkt op dat conventionele handschakelingen meestal zes vooruitgangssnelheden hebben, waarbij sommige sportauto's zoals de Porsche 911 er zeven aanbieden.

Waarom het belangrijk is voor dagelijks rijden

Het type automaat onder de auto bepaalt hoe een auto zich aanvoelt, en niet alleen of het een koppelingspedaal heeft. De vloeistofkoppeling van een automaat met koppelomvormer is wat een auto stationair voet laten geven zonder de motor af te slaan, een eigenschap die How a Car Works rechtstreeks toeschrijft aan het ontwerp van de koppelomvormer. De twee koppelingen van een dubbelkoppelingsautomaat zijn wat sportwagens in staat stelt om zonder de momentane vermogensverlaging om te schakelen die in oudere automaten voelbaar is, aldus CarsGuide. Het ontbreken van vaste overbrengingsverhoudingen in een CVT is wat de motor in staat stelt om dicht bij zijn meest efficiënte toerental te blijven, ongeacht de wegsnelheid, die CarsGuide als zijn belangrijkste voordeel opsomt, gecompenseerd door een constant, niet-traditioneel motorgeluid dat sommige bestuurders opmerken.