Automatyczne skrzynie biegów – przegląd konstrukcji

Automatyczne skrzynie biegów – przegląd konstrukcji M.Leśniewski

Automatyczne skrzynie biegów są na tyle skomplikowanymi zespołami, że niektórzy mechanicy podchodzą do ich obsługi z pewnym dystansem. Serwisowanie i diagnostyka nieprawidłowości w funkcjonowaniu automatycznych skrzyń biegów wymagają jednak przynajmniej podstawowej wiedzy o ich konstrukcji. Informacje o budowie i funkcjonowaniu danej przekładni są dla niezależnego warsztatu cennymi wskazówkami, które pozwalają na znacznie szybsze zlokalizowanie i usunięcie usterek.

  • Jak dzielimy automatyczne skrzynie biegów – ze względu na ich budowę i zakres działania całego układu napędowego?
  • Zalety klasycznej automatycznej skrzyni biegów oraz omówienie jej konstrukcji. 
  • Układ chłodzenia automatycznej skrzyni biegów. 

Zasadniczo współcześnie stosowane automatyczne skrzynie biegów możemy podzielić na 3 rodzaje:

1. Klasyczne automatyczne skrzynie biegów – które są wyposażone w przekładnię hydrokinetyczną (tzw. konwertor) oraz zespół przekładni planetarnych i elektro-hydrauliczny zespół sterujący. Klasyczne automaty są najbardziej skomplikowanymi konstrukcjami spośród przedstawionych rodzajów, przez co ich zastosowanie w dużej mierze ogranicza się do samochodów klasy wyższej. Do zalet tego typu skrzyń należy przede wszystkim ograniczenie obciążeń zespołu napędowego, które wynika z zastosowania przekładni hydrokinetycznej.
2. Skrzynie dwusprzęgłowe – ich budowa jest zbliżona do układu dwóch niezależnych równoległych skrzyń biegów, które mają dwa osobne sprzęgła. Przenoszą one moment obrotowy w sposób ciągły, co pozwala na bardzo szybką zmianę lub redukcję biegu. Skrzynie dwusprzęgłowe są obecnie najpopularniejszymi wariantami automatów, dzięki czemu znajdują zastosowanie u wielu producentów.
3. Skrzynie bezstopniowe – są sterowane automatyczne, a transfer momentu obrotowego z silnika do skrzyni biegów jest realizowany w sposób ciągły za pośrednictwem wariatora. Wariator składa się z dwóch par kół stożkowych, w których napędzie pośredniczy łańcuch lub specjalny pas stalowy. Ze względu na ograniczenia przenoszonego momentu obrotowego skrzynie bezstopniowe są zwykle używane w samochodach miejskich, które mają silniki o niewielkiej mocy.

Klasyczna automatyczna skrzynia biegów – omówienie konstrukcji 

Uwzględniając budowę klasycznej automatycznej przekładni, można wyodrębnić w niej 7 najważniejszych podzespołów: przekładnię hydrokinetyczną (tzw. konwertor), pompę ATF (automatic transmission fluid), zespół przekładni planetarnych, sprzęgła i hamulce, sterownik hydrauliczny i elektroniczny sterownik przekładni.

Przekładnia hydrokinetyczna (konwertor)

Przekładnia hydrokinetyczna składa się z wirnika turbiny zintegrowanego z wałem wejściowym skrzyni biegów, wirnika pompy połączonego z obudową przykręconą do wału korbowego silnika i wirnika kierownicy (zdjęcie 1).

Przekrój przekładni hydrokinetycznej.

Zdjęcie 1. Przekrój przekładni hydrokinetycznej. Źródło: M.Leśniewski

Wnętrze przekładni hydrokinetycznej jest wypełnione olejem, który jest pobierany przez wirnik pompy, a dzięki działaniu siły odśrodkowej strumień oleju dostaje się na łopatki wirnika turbiny, wprawiając ją w ruch obrotowy. Różnica prędkość obrotowej wirników pompy i turbiny zależy od natężenia przepływu oleju we wnętrzu przekładni hydrokinetycznej.

Zadaniem kierownicy jest zmiana kierunku strumienia oleju, co pozwala na efektywne wspomaganie obrotów wirnika pompy i na zwiększenie momentu obrotowego w warunkach znacznego poślizgu między pompą a turbiną.

Większość przekładni hydrokinetycznych ma sprzęgło typu lock-up, zwane potocznie sprzęgłem blokującym. Funkcją tego typu sprzęgła jest łączenie pompy z turbiną, które umożliwia ograniczenie poślizgu przekładni hydrokinetycznej. W pojazdach z napędem hybrydowym specjalny wałek pozwala na napęd przekładni hydrokinetycznej za pośrednictwem silnika elektrycznego.

Pompa ATF

Pompa ATF jest podzespołem odpowiadającym m.in. za generowanie ciśnienia oleju, który zasila siłowniki sprzęgieł i hamulców oraz blok hydrauliczny skrzyni. Pompa pobiera olej z miski olejowej i przetłacza go do obudowy konwertora, a następnie olej kierowany jest do bloku hydraulicznego. W wielu rozwiązaniach stosuje się pompy zębate typu mimośrodowego, które są napędzane od wału silnika przez obudowę i piastę przekładni hydrokinetycznej. W samochodach z układem start-stop lub pojazdach z napędem hybrydowym stosuje się dodatkowe elektryczne pompy oleju, które pozwalają na zasilanie skrzyni olejem wtedy, gdy silnik spalinowy nie pracuje.

Zespół przekładni planetarnych

W skład zespołu przekładni planetarnych (zdjęcie 2) wchodzą pojedyncze przekładnie planetarne, których elementy można zablokować lub zmienić ich kierunek obrotów.

Automatyczne skrzynie biegów – przegląd konstrukcji zdjęcie w treści artykułu

Zdjęcie 2. Zespół przekładni planetarnych wraz z przekładnią hydrokinetyczną – elementy osadzone są na wspólnym wałku wyjściowym skrzyni biegów firmy AISIN. Źródło: M.Leśniewski

Pozwala to na realizowanie poszczególnych przełożeń skrzyni i jazdę samochodu do przodu lub do tyłu. Przekładnia planetarna jest zbudowana z centralnego koła słonecznego o uzębieniu zewnętrznym, koła wieńcowego, które ma uzębienie wewnętrzne, oraz kilku satelitów rozmieszczonych na osiach i zespolonych w koszu. Przekładnie planetarne umieszczane są w tzw. szeregi, co pozwala na osiągnięcie docelowej liczby przełożeń automatycznej skrzyni biegów.

Sterownik hydrauliczny

Sterownik hydrauliczny automatycznej skrzyni biegów (zdjęcie 3) odpowiada za następujące funkcje:

  • steruje hydrauliczną pracą siłowników sprzęgieł i hamulców,
  • generuje ciśnienie oleju w poszczególnych obiegach przekładni (ciśnienie sterujące, ciśnienie konwertora, ciśnienie zasilania siłowników),
  • pozwala na pracę skrzyni automatycznej w trybie awaryjnym, kiedy uszkodzony zostanie układ elektroniczny przekładni.

sterownik_hydrauliczny

Zdjęcie 3. Zespół przekładni planetarnych wraz z przekładnią hydrokinetyczną – elementy osadzone są na wspólnym wałku wyjściowym skrzyni biegów firmy AISIN. Źródło: M.Leśniewski

Zarówno sterownie pracą siłowników sprzęgieł i hamulców, jak i modulowanie ciśnienia w skrzyni biegów jest realizowane za pomocą elektrozaworów, które są umieszczone w bloku hydraulicznym.

Rozróżnia się elektrozawory o odmiennych charakterystykach:

  • rosnącej – wysokie ciśnienie oleju osiągane jest przy większej wartości wysterowania zaworu,
  • malejącej – mniejsze ciśnienie oleju osiągane jest przy większej wartości wysterowania zaworu,
  • dwupołożeniowe – tzw. przełączające.

Działanie elektrozaworów jest kontrolowane przez sterownik automatycznej skrzyni biegów.

Elektroniczny sterownik przekładni

Elektroniczny sterownik skrzyni biegów nadzoruje funkcjonowanie automatu na podstawie sygnałów otrzymywanych z poszczególnych czujników przekładni. Następnie przetwarza te sygnały i wysterowuje podzespoły takie wykonawcze jak:

  • elektrozawory w bloku hydraulicznym,
  • przekaźniki sterujące pracą dodatkowej elektrycznej pompy oleju (wariant dla układu start-stop lub napędu hybrydowego)
  • czy elektromagnes dźwigni blokady sterującej.

Ponadto sterownik realizuje poszczególne tryby pracy skrzyni biegów (eco, normal, sport), kontroluje temperaturę oleju przekładni i uruchamia funkcję ochronne. Sterownik połączony jest magistralą CAN (controlled area network) napędu ze sterownikami: silnika, systemu ABS/ESP i układu kierowniczego. Analiza funkcjonowania automatycznej skrzyni biegów jest realizowana na podstawie sygnałów z następujących czujników:

  • czujnik prędkości obrotowej wałka wyjściowego przekładni (sensor Halla),
  • czujnik prędkości obrotowej wałka wejściowego przekładni (sensor Halla),
  • czujnik temperatury oleju w skrzyni biegów,
  • czujnik kick-down (potencjometr),
  • czujnik położenia dźwigni wyboru trybu jazdy (potencjometr lub sensor Halla),
  • czujnik biegu wstecznego (stycznik dwupozycyjny),
  • czujnik pedału hamulca (stycznik dwupozycyjny).

Sterownik przekładni za pośrednictwem magistrali CAN napędu wysyła dane do poszczególnych sterowników, informując je o:

  • położeniu dźwigni trybu jazdy,
  • stanie sprzęgła lock-up (włączone/ wyłączone),
  • prędkości obrotowej wałków skrzyni biegów,
  • prędkości obrotowej turbiny skrzyni biegów,
  • przełożeniu aktywowanym i przełożeniu docelowym,
  • statusie wydajności układu chłodzenia,
  • wymaganym momencie obrotowym silnika,
  • statusie włączenia sprężarki klimatyzacji.

Elektroniczny sterownik może być zabudowany we wnętrzu skrzyni i zespolony ze sterownikiem hydraulicznym lub oddzielony od niego i zlokalizowany na zewnątrz przekładni. 

Układ chłodzenia automatycznej skrzyni biegów 

Do prawidłowego funkcjonowania automatycznej przekładni niezbędne jest utrzymanie optymalnej temperatury jej pracy. Układy chłodzenia oleju skrzyni biegów mogą mieć dodatkowe chłodnice (zdjęcie 4), termostaty i elektroniczne pompy, które wspomagają cyrkulacje płynu chłodzącego.

skrzynia_ZF9HP

Zdjęcie 4. Skrzynia ZF9HP ma chłodnicę oleju zabudowaną od dołu przekładni, w pobliżu miski olejowej. Źródło: M.Leśniewski

Ważnym aspektem jest też efektywne osiągnięcie optymalnej temperatury oleju, co w niektórych przypadkach może być realizowane poprzez zaadaptowanie dodatkowego wymiennika ciepła. Olej w fazie rozgrzewania krąży w obiegu połączonym z wymiennikiem do czasu, kiedy jego temperatura zbliży się do pułapu docelowego. Wtedy to termostat otwiera „roboczy” obieg chłodzący.

Z zalet, które wynikają z konstrukcji klasycznych automatycznych skrzyń biegów, należy wymienić: 
komfortową zmianę przełożeń dzięki zastosowaniu przekładni hydrokinetycznej,
zminimalizowanie obciążeń między silnikiem a układem napędowym, które wynika z zastosowania „sprzężenia” hydraulicznego, możliwość zaadaptowania tego typu skrzyni do pracy z napędem hybrydowym.

Wady tego typu przekładni automatycznych to przede wszystkim:

  • wysoki koszt produkcji skrzyni,
  • większa masa zespołu w porównaniu z innymi rodzajami automatycznych skrzyń biegów,
  • straty tarcia w przekładni hydrokinetycznej.

W kolejnej części artykułu zostanie przedstawiona budowa i zasada działania dwusprzęgłowej automatycznej skrzyni biegów.

Źródło: Materiały redakcyjne

O Autorze

Mariusz Leśniewski

Inżynier mechanik, autor materiałów szkoleniowych dla branży motoryzacyjnej, audytor branży motoryzacyjnej

Tagi artykułu

autoExpert 7–8 2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę