A Modern Automata Sebességváltók Világa: CVT, DSG és Hidromechanikus Rendszerek

A belsőégésű motorral hajtott járműveknél a motor fordulatszám és nyomaték tartományának kiterjesztése érdekében változtatni kell a nyomaték és fordulatszám áttételt, amelyet leggyakrabban fokozatkapcsolású fogaskerék, illetve bolygókerék hajtóművekkel oldanak meg. Sokan úgy gondolják, hogy csak kétféle váltószerkezettel felszerelt személygépjármű létezik: manuális és automata. Ez nem teljesen fedi a valóságot, hiszen többféle technológiát foglal magába az automata fogalom. Az automata sebességváltók lassan, evolúciós jelleggel fejlődtek az egyszerű járművezethetőség embertől lehetőleg függetlenítése és az adaptív fokozatkapcsolás között. Ebbe a folyamatba robbant be az automatizált váltó, leginkább annak DSG változata, amely a legújabb elvek szerinti mechatronizálással jelent meg. Néhány napja beszélgettünk Önnel a mai piacon leggyakrabban megtalálható automata sebességváltókról, amelyek a nyomatékváltós, a robotizált duplakuplungos és a folyamatos variátoros vagy CVT.

CVT Sebességváltók: A Folyamatosan Változó Áttételezés

A fokozatmentes, másnéven CVT váltók (Continuously Variable Transmission) is több évtizedes múltra tekintenek vissza. A fokozatmentes sebességváltót az 50-es években egy holland származású amerikai fejlesztette ki és fejlesztette ki. Huub van Doorne, a kis DAF 600-ban mutatta be először a piacon, így lett az első sorozatgyártású autó, amely ezt használta, és amelyet a DAF sebességváltónak nevezett el. variomatic. Elsőként a DAF alkalmazta őket 1958-ban a 600-as kisautó modelljében. Bár azt kell mondani, hogy már 1920-ban az angol cég Clyno Engineering Company 10.8-as modelljében bevezette a fokozatmentes váltó első változatát, amely egyben az ország harmadik legnagyobb gyártója lett.

A CVT váltók kis helyigényűek és költséghatékonyak. Legfontosabb részük az a két kúptárcsa, amelyeket egy szíj, avagy a modern váltók esetében egy lánc köt össze. Annak ellenére, hogy CVT egy nagyon megbízható váltó-típus, még mindig idegen a legtöbb sofőr számára. Mindez leginkább annak tudható be, hogy a CVT váltós autó gyorsításkor nem vált fel (hiszen nincs hova), ezzel szemben a gyorsítás mértékéhez ideális fordulatszámon tartja a motort. Erőteljes gyorsításkor emiatt előfordul, hogy a fordulat hirtelen az egekbe szökik, egyenletes gyorsítással azonban könnyen kiküszöbölhető ez az apró kellemetlenség.

A fokozatmentes sebességváltót vagy a CVT-t számos gyártó alkalmazza, bár a Toyota lehet a reprezentatív márka ennek a váltótípusnak azáltal, hogy nagyobb hírverést ad neki, és olyan modellekben alkalmazza, mint a Prius vagy a C-HR, de ha egy kicsit bővítjük elképzelésünk szerint látni fogjuk, hogy az olyan márkák, mint a Subaru, a név alatt használják lineartronic, a Mercedes-Benz elnevezte Autotronic vagy az Audihoz hasonló Multitronic.

Duplakuplungos (DSG) Sebességváltók

Ezeknél a korszerű berendezéseket a kettős tengelykapcsolóval rendelkező (DSG=DoppelSchaltGetriebe) sebességváltók jelentik. Ugyan kettős tengelykapcsolóval ellátott sebességváltót a Citroen Traction Avant modelljében is alkalmaztak már 1939-ben, azonban a modern duplakuplungos sebességváltót a BorgWarner-nek és a Volkswagennek köszönhetjük. Az első ilyen váltóval 2003-ban találkozhattunk a 4-es Golf R32-es kivitelében.

Automata váltók a Fiat Freemontban

A DSG sebességváltó lényege, hogy két behajtó tengelye van (zöld és piros), amelyeket kettős tengelykapcsoló köt a motor főtengelyhez, illetve két kihajtó tengelye van amelyek a differenciálmű házhoz kötött nagy fogaskerékhez kapcsolódnak egy-egy lehajtó fogaskerékkel. A piros tengelyhez kapcsolódik az 1., 3., 5. és a hátrameneti fokozat szinkron szerkezete, míg a zöld behajtáshoz van kötve a 2., 4. és 6. fokozat kapcsolása. Ez azt jelenti, hogy amíg az egyik behajtó tengely a motorhoz van kötve, addig a másik tengelyen is bekapcsolható a fokozat, de azon nyomatékátvitel nem történik. A DSG felépítése nagyban eltér a hagyományos automata váltók felépítésétől, lényegében mintha két manuális váltót egymáshoz csatoltak volna. Két bemenőtengellyel rendelkezik, amelyekhez egy-egy belső kuplung csatlakozik. Az egyik kuplung a hátramenet mellett a páratlan, a másik pedig a páros fokozatokért felel.

A fokozatváltásnál a bekapcsolt pl. 3. fokozat előtti 2. vagy utáni 4. fokozat úgy kapcsolódik, hogy a nyomaték nélküli (zöld) tengelyhez kötött kapcsolót zárják hajtás közben és a tényleges kapcsolás a két tengelykapcsoló működtetésével, ebben az esetben a piros nyitásával és a zöld egyidejű zárásával történik. A kapcsolás tehát nyomatékkal terhelt hajtóműláncban történik a két tengelykapcsoló egyidejű csúszása és nyomaték átvitele mellett. Ezt a kinetikailag kedvezőtlen állapotot gondosan kell kezelni a kapcsolási folyamat vezérlése során tengelykapcsoló nyomások pontos szabályzásával, vagy a vezérlést irányító függvények pontos megadásával. A folyamat során a piros tengelykapcsoló nyomása és nyomaték átvitele csökken a zöld tengelykapcsolóé pedig egyidejűleg nő. A nyomás vezérlés vagy szabályzás a két tengelykapcsolóban PWM vezérlésű proporcionális hidraulikus szeleppel történhet. Kék a motorhoz kapcsolódó elemek, piros és zöld a sebességváltó két behajtó tengelyéhez kapcsolódó elemek és bronz a működtető dugattyúk színe.

Ez nagyon gyors váltást tesz lehetővé oly módon, hogy az egyik váltófél aktivitásakor a vezérlőelektronika bekészíti a következő (vagy előző) fokozatot az éppen inaktív váltófélben. A megfelelő időpontban a DSG váltó néhány tizedmásodperc alatt végrehajtja a váltást a fokozatok között. A kettős munkahengerrel rendelkező kapcsoló villák a szinkronkapcsolók kapcsológyűrű hornyaiba nyúlnak be, és azokat tengelyirányban mozgatják. A fokozat bekapcsolását mágneses (Hall) helyzet jeladók jelzik. A felső szürke görbe ábrázolja a kikapcsoló 4. Alatta a fekete görbe a bekapcsoló 2. fokozat aktuátor elmozdulását mutatja. A vezérlési diagramot (nyomás) a két kapcsolóhoz az alsó vékonyabb vonalak ábrázolják.

Hogyan működnek a dupla kuplungos sebességváltók? DSG, DCT, PDK, S-tronic. Automata sebességváltó animáció

Kapcsolási Stratégia és Vezérlés

A kapcsolási stratégia függvényei a célzott vonóerő/motor nyomaték elérését jelentik a járműsebesség/motor fordulatszám függvényében. A stratégia kiválasztásához, amelynek alapján a sebességváltás idejének meghatározása történik a következő jellemzőket veszi figyelembe a kapcsolást irányító rendszer:

a járműre ható külső terhelés (hegy menet, utánfutó)
a járművezető vezetési jellemzői
kick down kapcsoló
telematika (külső logisztika, irányítás)
különleges feladatok (haszonjármű esetén)
ASR
motor fordulatszám korlátozás

A fokozatkapcsolás figyelembe veszi a járművel kapcsolatos összes mérhető és kikövetkeztethető tényezőt természetesen rangsorolva és súlyozva. A szabályzási folyamat a kapcsolási stratégia szerint megy végbe. A kapcsolás shift by wire rendszere annyit jelent, hogy közvetlen mechanikus összeköttetés nincs a gépkocsivezető és a kapcsolt elemek között (még akkor sem, ha a rendszert tengelykapcsoló pedállal és kézi váltóval szerelten adják el!). A jármű koordinátor a járművel kapcsolatos szoftver modult jelképezi, az összes váltón kívüli járműjellemző feldolgozását jelenti. A központi vezérlő modul végzi a fokozatkapcsolás futtatását, ehhez kapcsolódnak a beavatkozás moduljai: a tengelykapcsolóba, a fokozatkapcsolásba illetve a motorba történő interaktív beavatkozások irányítása céljából. A tengelykapcsoló modellje központi szerepű, mind a fokozatkapcsolásban, mind pedig az ezen kívüli hajtási eseményekben is szerepet játszik. A diagnosztikai modul minden egységgel kétirányú kapcsolatban van, felügyeli a rendszer állapotát és szükség esetén vész üzemmódra állítja át. A végrehajtás elemei hidraulikusan működnek, ezeket a nyomás vezérlő rendszer irányítja. A szoftverek futtatása a kapcsolódó hardver rendszeren történik, amely több processzorból és elektronikai egységből áll. A járműhöz illetve ezzel a gépkocsivezetőhöz az elektronikai egység a kommunikációs rendszere(ke)n keresztül kapcsolódik. Ki és bemeneti egységein keresztül közvetlenül a jeladókhoz, aktuátorokhoz, kijelzőhöz és a járműdiagnosztikához (csatlakozó) kapcsolódik.

Hogyan működik a tanulékony automata sebességváltó?

A bemeneti jelek a következők:

Tápfeszültség
Gyújtásjel
Tengelykapcsoló jeladók
Fordulatszám jeladók
Fokozati jeladók
Nyomásjeladók
Hőmérséklet jeladók

A kimenetek:

Jeladók táplálása
Táp kimenet
Tengelykapcsoló szelepek
Kapcsolószelepek
Választó szelepek

Üzemmódok és Tengelykapcsoló Típusok

Automata üzemmódban D és S kapcsolóprogramok közül lehet választani (D normál, S sportos kapcsolás). Az un. A Tiptronic annyit jelent, hogy a fokozat kapcsolás kézzel a sebességváltó kar le föl mozgatásával történhet. Ekkor a vezető a karral a fokozatokat sorrendben le föl kapcsolgathatja mikrokapcsolók működtetésével. Egyes esetekben, ha többször billentjük a váltókart egymás után elvileg akár több fokozatot is kapcsolhat. Amennyiben az egyik részváltó funkcióprobléma miatt lekapcsol, a másik váltó egységen keresztül egy un. „vészjárati“ üzemmmód indul. Ebben az állapotban érezhető vonóerő megszakítások tapasztalhatóak. Az egyik részváltó kapcsolja az 1. és 3. sebességet. A másik részváltó kapcsolja a 2. A DSG váltók két típusát különítjük el egymástól: a szárazkuplungos, illetve a nedveskuplungos kiviteleket. A száraz kivitelt általában gyengébb teljesítményű motorokhoz társítják. A száraz tengelykapcsoló részint a korábbiakban már írtak szerint energiatakarékosabb megoldás, mert a nyomaték átvitelhez szükséges normál erőt rugó hozza létre, másrészt a járművek indításánál és a fokozatkapcsolásnál a többi sebességváltóban jól bevált szerkezetet, annak elemeit itt is érdemes felhasználni.

Hidromechanikus és Robotizált Automata Sebességváltók

Hidromechanikus/Bolygóműves Sebességváltók

Az észak-amerikai járművekben főként a hidromechnikus nyomatékváltók terjedtek el, amelyekben automatizált a teljes hajtásrendszer működtetése, a vezetőnek csak különleges forgalmi helyzetekhez alkalmazkodva kell beavatkozni a fokozatkapcsolásba. A hidromechanikus, vagy másnéven bolygóműves automata váltó az egyik legelterjedtebb technológia a piacon, hiszen több mint 80 éve használjuk már. Az eddigiekhez képest az automata sebességváltók a felhasználó szempontjából csaknem azonosan működnek, de felépítésük markánsan eltér ezektől. Általános felépítésük leginkább soros elrendezésű, csak néhány váltó típusnál (főként haszonjárműveknél) ettől eltérő ún. átkötött rendszerű. Az elrendezés a váltókban lévő hidrodinamikus nyomatékváltó és a kapcsolódó bolygóművek közötti viszonyra utal. A soros váltók a motorhoz Trilok típusú nyomatékváltóval kapcsolódnak, majd ezt követi a többfokozatú bolygómű. Az indítás feladatait az automata váltóknál nem súrlódáson alapuló, hanem hidrodinamikus gépek végzik. A hidrodinamikus nyomatékváltó előnyeit és használhatóságát a gyakorlat jól bizonyította.

Ennek a váltónak a két legfontosabb része: a hidrodinamikus nyomatékváltó és a (mechanikus) bolygóműves sebességváltó. A hidrodinamikus tengelykapcsolóban két lamellákkal ellátott kereket találunk. Az egyik a szivattyú-, a másik pedig a turbinakerék. Induláskor a lendkerék meghajtja a szivattyúkereket, az olaj áramlása pedig mozgásba hozza a turbinakereket. A gyártók egy vezetőkereket is alkalmaznak a szivattyú- és a turbinakerék között, amely szabályozza az olajáramlás erősségét. Az ábra alapján megállapítható, hogy két nagy előnye van a súrlódó aszinkron géphez képest: a hatásfoka nagy szlip tartományban jobb, és nyomatékot növel a hidrodinamikus nyomatékváltó. A kisebb szlipnél jelentkező hatásfok romlást a vezetőkerékbe épített szabadonfutóval lehet megszüntetni, amely tengelykapcsoló üzemre állítja át a nyomatékváltót (automatikusan, minden beavatkozás nélkül).

Útmutató az automata sebességváltókhoz

Adaptív Kapcsolás és Diagnosztika

Az adaptív kapcsolást a sebességváltásnak a vezető beavatkozása nélküli működtetését jelenti. A sebességfokozat kiválasztása automatikusan történik a gépkocsi sebességétől, a gázpedál pozíciójától és a választókar állásától függően, alkalmazkodva a vezetési stílushoz, az út jellegéhez, a domborzati és időjárási körülményekhez, a forgalmi viszonyokhoz. Az adaptív vezérlés a sebességváltó szabályzójába (TCU) közvetlenül bekerülő jeleken kívül felhasználja az összes jármű jellemzőt és adatot, amelyet a többi elektronikus egységtől (ECU-k) a kommunikációs rendszere(ke)n (CAN-BUS) kap meg. A jeleket kiértékelve számítja ki, hogy melyik fokozatban üzemeljen a sebességváltó. A fokozatszám akár 8 is lehet, tehát a fokozat meghatározása különösen a szélsőséges menethelyzetekben kritikus döntést jelent. A TCU által kivezérelt jelek a villamos vezérlő egységbe kerülnek, amelyek jórészt elektromágneses szelepeket és egyéb villamosan működtetett hidraulikus elemeket jelentenek. A hidraulikus rendszer vezérli a végrehajtó egységeket, amelyek általában lamellás szerkezetek beépített munkahengerrel. Ezek fékezik a bolygóműveket, kötik össze - kapcsolják szét tengelyeiket, zárják - nyitják a lock up (a hidrodinamikus nyomatékváltót rövidrezáró) tengelykapcsolót. A fékek, tengelykapcsolók működtetése, hasonlóan a DSG váltókhoz, gázelvétel nélkül, a nyomaték átvitel megtartásával történik. Ilyenkor a súrlódó elemek rövid időre egyszerre csúsznak, amely nagy igénybevételt jelent a súrlódó lamelláknak. A gépkocsivezető az előválasztó karral és a gázpedállal tudja befolyásolni a fokozatkapcsolás menetét. A PRND szelektornak is nevezett kar a különböző üzemállapotokat (Parkolás=rögzített kihajtó tengely, motor indítható, Reverse=hátramenet, N=neutral, sebességfokozat nincs bekapcsolva, motor indítható, D=Drive, automata üzemmód) határozza meg a váltó számára. A gázpedál lenyomásával a felkapcsolás sebesség értéke növelhető, illetve a gázpedál ütközésig nyomásával (kick down) visszakapcsolás kényszeríthető ki. Villamos vagy elektronikus hiba esetén a folyamatosan működő diagnosztikai rendszer átállíthatja a rendszert vész üzemmódra. Ilyen esetben a váltó az előválasztó karral vezérelhető, mert a hidraulikus rendszer önállóan (villamosság nélkül) is működőképes. A hibakereső és értékelő öndiagnosztika (OBD) lényeges és igen hasznos része az elektronikus hajtóművezérlésnek. A diagnosztikai rendszerek kezelésének módja az egyes gyártóknál más és más, rendszerint speciális diagnosztikai célműszert és megfelelő szoftvert igényel. A diagnosztikai rendszer kijelzi a működés hibáit, azokat tárolja és a későbbi hibaelhárításban aktívan felhasználja. A sebességváltók fejlődése az automatikus fokozatkapcsolás jelentősebb elterjedése felé irányul. A kapcsolási folyamat lényege, irányítása mindegyik váltó és járműtípusnál azonos.

Robotizált Sebességváltók

A robotizált váltók olyan módon ötvözik a manuális és az automata szerkezeteket, hogy egy elektromos kapcsolószerkezettel tehermentesítik a sofőrt. Ezek a váltók olcsóbbak a fentebb említett szerkezeteknél, azonban jellemző rájuk, hogy lassan váltanak.

Tehergépkocsik Automatizált Sebességváltói: A ZF Astronic Példáján

Tehergépkocsik sebességváltói nem csak méretükben, fokozatszámban különböznek a személygépkocsikétól, hanem a felépítési szerkezetben is. A haszonjárműveknél is léteznek kézi, automatizált kapcsolású és teljesen automata váltók. A kézi kapcsolású váltókban a mechatronika korlátozott szerepet játszik. Automatizált kapcsolású sebességváltó a ZF Astronic hajtómű család. A kék színű tengely a tengelykapcsoló súrlódó tárcsa nyeles tengelye, amihez a két fokozatú primer áttételt adó felező csoport kapcsolódik. Az alapváltó piros, két előtét tengellyel rendelkezik a nagyobb terhelhetőség és élettartam érdekében.

A fokozatok kapcsolását a kapcsolóegység végzi pneumatikus munkahengerek segítségével. A felező- és a szorzó váltó működtetését egy-egy különálló kapcsolóhenger hajtja végre. A váltó felső részében lévő kapcsolóegységben integrált a sebességváltó elektronika, a „kapcsolás", “előválasztás", és a“váltófék“ működtető szelepek, a kapcsolóhengerek, fordulatszám, nyomás, stb. Az alapváltó körmösnek nevezett (igazából bordás) kapcsolású (nem szinkronizált), a felező és a tartományváltó szinkronizált kapcsolásúak.

Vezérlés és Kapcsolási Folyamatok

A fenti szoftver struktúra a ZFASTRONIC szabályzó rendszer szoftver felépítését mutatja. A két fő részből álló informatikai rendszer funkcionális alapeleme CAN interfészből és egy működtető programból áll. A működtetés elemei: fokozatkapcsolás irányítás, tengelykapcsoló működtetés, diagnosztika, az aktuátorok vezérlése, boot szoftver, fenntartó rendszer. Az alaprendszerhez tartozik az összes szükséges jel fogadása és feldolgozása. Az elektronikus rendszer, amely a szoftvert működteti a 2. sz. kapcsolóegységben van. A perifériákkal a CAN hálózaton kommunikál a szabályzó. A sebességváltó működtetés jelentős része a tengelykapcsolóra vonatkozik, amelynek indításhoz tartozó részeit a tengelykapcsolóknál ismertettük. A következőkben a sebességváltás folyamatát mutatjuk be, különös figyelemmel arra, hogy a váltó nem szinkronizált, tehát a körmös kapcsolók működtetését az irányító rendszernek kell szinkronizáltan végrehajtatni.

A diagramok a motor (piros vonal) és a sebességváltó behajtó (kék vonal) fordulatszámát mutatják. A középső ábrán a zöld mező annyit jelent, hogy a tengelykapcsoló zárt. Az A-B1 szakaszban a tengelykapcsoló részleges old és a motor befecskendezési dózis csökken. A B1-C szakasz során a tengelykapcsoló old. A B2-C szakaszban a kapcsolószerkezet oldja az aktuális fokozatot. C-D szakaszban be van kapcsolva a tengelyfék, hogy szinkronizálja a kapcsolandó bordás elemeket. D időpontban kapcsol ki a tengelyfék, amikor minimális fordulatszám különbséget számol a rendszer a két kapcsolandó elem között. A D-E szakasz során kapcsolja be a rendszer a következő fokozatot. E-F szakaszban kezd zárni a tengelykapcsoló az előírt nyomaték függvény alapján.

Visszakapcsolási folyamatnál a kapcsolás a következő: A-B szakaszban részben nyit a tengelykapcsoló és gázelvétel történik. B-C idő alatt a tengelykapcsoló gyorsan nyit. C-D szakaszban kapcsolja ki az aktuális fokozatot. D ponton jelenti a jeladó a kikapcsolt állapotot. D-E szakaszban a tengelykapcsoló részlegesen zár és részleges gázadás történik (gázfröccs), a kapcsolandó elemeket a motor felpörgeti. E-F szakaszban, érzékeli a rendszer a szinkron fordulatszámot és kinyomja a tengelykapcsolót, kapcsolja a következő fokozatot. A működtető kar joy-stick-ként használható.

Az Inter Cars kínálatán belül széles körben elérhetőek a hidraulika szűrők és olajak autója váltójához.

tags: #cvt #automata #sebessegvalto #informacio