Jak działają automatyczne skrzynie biegów: Konwertery momentu obrotowego, biegi i przerzucanie wyjaśnione

Kierowcy, którzy nigdy nie dotykali pedału sprzęgła, wciąż polegają na łańcuchu części mechanicznych i hydraulicznych, które działają za każdym razem, gdy samochód się porusza lub zmienia prędkość. W rdzeniu każdej automatycznej skrzni biegów znajdują się dwa zadania: umożliwienie silnikowi obracania się na biegu jałowym bez zapaści samochodu i zmiana przełożenia między prędkością silnika a prędkością kół bez wyboru biegu przez kierowcę.

Konwerter momentu obrotowego pełni funkcję sprzęgła

W najpowszechniejszym typie przekładni automatycznej mechaniczne sprzęgło jest zastępowane szczelnym, wypełnionym płynem obudową zwaną konwerterem momentu obrotowego. Zgodnie ze stroną referencyjną do mechaniki samochodów How a Car Works, zawiera trzy główne części: pompę przymocowaną do koła zamachowego silnika, turbinę podłączoną do wału wejściowego skrzni biegów oraz centralny reaktor wyposażony w sprzęgło jednokierunkowe.

Gdy pompa obraca się wraz z silnikiem, wyrzuca płyn przekładniowy na zewnątrz do turbiny, która obraca wał wejściowy skrzni biegów. Przy niskich obrotach silnika reaktor pozostaje nieruchomy i przekierowuje płyn z powrotem do pompy, co wzmacnia moment obrotowy i pomaga samochodowi ruszać z miejsca. Po osiągnięciu wyższych obrotów silnika reaktor pracuje swobodnie, a konwerter działa po prostu jako hydrauliczne koło zamachowe, wyjaśnia How a Car Works.

Australijski serwis CarsGuide podaje, że to hydrauliczne połączenie jest przyczyną płynnego przerzucania automatycznych skrzyni z konwerterem momentu obrotowego i silnej mocy pociągowej na niskich obrotach. Kompromisem było to, że historycznie systemy te miały niższą sprawność niż bezpośrednie połączenie mechaniczne, dlatego większość nowoczesnych jednostek z konwerterem momentu obrotowego dodaje funkcję «lock-up», gdy samochód osiąga prędkość, mechanicznie łącząc pompę i turbinę, aby zmniejszyć straty mocy, zgodnie z CarsGuide.

Przekładnie planetarne zmieniają przełożenie bez przerzucania biegów

Gdy moc dotrze do skrzni biegów, przechodzi ona przez jeden lub więcej zestawów przekładni planetarnych (epicyklicznych). How a Car Works opisuje je jako centralne koło słoneczne, zewnętrzne koło zębate z wewnętrznymi zębami oraz zestaw mniejszych kół planetarnych, które zazębiają się z obydwoma. Wszystkie trzy części są zawsze w kontakcie, więc skrzynia biegów nigdy nie musi fizycznie włączać ani wyłączać pary biegów tak, jak robi to skrzynia mechaniczna.

Zamiast tego, hydraulicznie sterowane pasy hamulcowe i wielotarczowe sprzęgła utrzymują różne części zestawu biegów w bezruchu lub pozwalają im obracać się swobodnie. How a Car Works wymienia podstawowe kombinacje: zablokowanie koła słonecznego, podczas gdy nośnik napędza planety, daje zwiększenie prędkości; zablokowanie koła zębatego i napęd koła słonecznego daje zmniejszenie prędkości; wysyłanie mocy do koła słonecznego podczas hamowania nośnika planet daje bieg wsteczny; zablokowanie razem koła słonecznego i zębatego daje napęd bezpośredni, przełożenie jeden do jeden.

Jeden zestaw przekładni planetarnych używany w ten sposób może już dostarczyć kilka przełożeń. Połączenie dwóch zestawów epicyklicznych, najprostszy klasyczny układ, może dać trzy biegi do przodu, jak zauważa How a Car Works; producenci łączą więcej zestawów i sprzęgieł, aby osiągnąć pięcio-, sześcio-, osmo-, dziewięcio- i dziesięciobiegowe skrzynie biegów powszechne w dzisiejszych samochodach.

Hydraulika i elektronika decydują, kiedy przerzucać

Sekwencja blokowania wewnątrz skrzni biegów jest uruchamiana przez ciśnienie hydrauliczne działające na pasy hamulcowe i sprzęgła, kierowane przez to, co How a Car Works nazywa złożonym układem zaworów hydraulicznych. W starszych konstrukcjach zawory te reagują mechanicznie na obciążenie silnika, prędkość jazdy i położenie przepustnicy; mechanizm «kickdown» zmusza do przełączenia na niższy bieg w celu dodatkowego przyspieszenia, gdy pedał gazu zostanie wciśnięty do końca. W nowoczesnych samochodach czujniki elektroniczne i komputer sterujący wykonują tę samą funkcję, otwierając i zamykając elektromagnetyczne zawory, aby zsynchronizować każde przerzucanie.

Trzy różne sposoby budowy skrzni biegów automatycznej

Nie każda samoprzerzucająca się skrzynia biegów działa w ten sam sposób. CarsGuide dzieli nowoczesne skrzynie automatyczne na trzy główne rodziny, plus starszy, w znacznej mierze wycofany czwarty typ.

• Automatyczna skrzynia biegów z konwerterem momentu obrotowego — wykorzystuje hydrauliczne sprzęgło opisane powyżej; silny moment obrotowy na niskich prędkościach i płynne przerzucanie, spotykane u marek takich jak Mazda i Lexus, zgodnie z CarsGuide.
• Dwusprzęgłowa skrzynia biegów (DCT) — praktycznie dwie mechaniczne skrzynie biegów dzielące jedną obudowę, każda ze swoim sprzęgłem; jeden bieg jest wstępnie wybrany, podczas gdy drugi jest włączony, więc system przełącza sprzęgła, aby zmienić bieg w milisekundach z minimalną stratą momentu obrotowego. CarsGuide przytacza Volkswagen DSG, Nissan GT-R, Ferrari 488 GTB i McLaren 650S jako przykłady.
• Bezstopniowa przekładnia zmienna (CVT) — w ogóle nie ma stałych biegów; pasek lub łańcuch biegnie między dwoma kołami pasowymi, których efektywna średnica zmienia się, dając, jak mówi CarsGuide, działanie «jak gumka na stożku ruchu drogowego» i teoretycznie nieograniczoną liczbę przełożeń w celu maksymalnej ekonomiki paliwa.
• Automatyczna skrzynia manualna z jednym sprzęgłem — starszy projekt, w którym komputer obsługuje jedno sprzęgło w konwencjonalnej manualnej skrzni biegów; CarsGuide opisuje jej przerzucania jako gwałtowne i opóźnione, a typ ten jest teraz w znacznej mierze przestarzały.

Dla porównania, CarsGuide zauważa, że zwykłe manualnie skrzynie biegów zazwyczaj mają sześć biegów do przodu, przy czym niektóre samochody sportowe, takie jak Porsche 911, oferują siedem.

Dlaczego to ma znaczenie dla codziennej jazdy

Typ skrzni biegów automatycznej pod podłogą wpływa na sposób, w jaki czuje się samochód, a nie tylko na to, czy ma pedał sprzęgła. Hydrauliczne sprzęgło konwertera momentu obrotowego pozwala samochodowi powoli poruszać się na biegu jałowym bez zapaści silnika, cechę, którą How a Car Works przypisuje bezpośrednio konstrukcji konwertera momentu obrotowego. Dwa sprzęgła DCT pozwalają samochodom sportowym zmieniać biegi bez chwilowej przerwy mocy, odczuwanej w starszych skrzyniach automatycznych, zgodnie z CarsGuide. Brak stałych przełożeń w CVT pozwala silnikowi pozostać w pobliżu jego najbardziej efektywnej prędkości niezależnie od prędkości jazdy, co CarsGuide wymienia jako jego główną zaletę, równoważoną przez stały, niestandardowy dźwięk silnika, jaki niektórzy kierowcy zauważają.