Budowa przekładni hydrokinetycznej oraz jej parametry – przełożenie dynamiczne, wymiary, budowa tłumika drgań skrętnych czy typ sprzęgła mostkującego – są dostosowane do rodzaju silnika, jego charakterystyki mocy czy przenoszonego momentu obrotowego.

Zasada działania
Przekładnia hydrokinetyczna pracuje według zasady sprzęgła hydraulicznego z zastosowaniem dodatkowego elementu – wirnika kierownicy umieszczonego pomiędzy pompą a turbiną, który powoduje zmianę kierunku strumienia przepływającego oleju. W efekcie na kole wirnika kierownicy powstaje moment oddziałujący na turbinę przekładni hydrokinetycznej. W ten sposób wzmacniany jest moment obrotowy silnika – w sposób proporcjonalny do różnicy prędkości obrotowej pomiędzy wirnikiem pompy a turbiny. Największe wzmocnienie momentu ma zatem miejsce przy ruszaniu pojazdu, gdy wirnik pompy się już obraca, a wirnik turbiny pozostaje jeszcze nieruchomy. Wtedy następuje też największa zmiana kierunku przepływającego strumienia oleju przez koło kierownicy.

Wzmocnienie momentu obrotowego odbywa się aż do osiągnięcia punktu sprzęgnięcia. Gdy wirnik kierownicy obraca się razem z wirnikiem pompy i turbiny, wzmocnienie momentu jest równe zero, a sama przekładnia zaczyna pracować jak zwykłe sprzęgło hydrokinetyczne. Pomiędzy wirnikiem pompy a wirnikiem turbiny zawsze występuje różnica prędkości obrotowych i w punkcie sprzęgnięcia stosunek ten wynosi około 0,98. Poślizg ten powoduje pewne straty mocy przekładni, co ma wpływ też na zużycie paliwa przez pojazdy ze skrzyniami automatycznymi wyposażonymi w stare typy przekładni hydrokinetycznej, bez zastosowania sprzęgła mostkującego lub jego zastosowaniu w pracy tylko na wysokich biegach.

Taka sytuacja miała miejsce na przykład w pięciobiegowych skrzyniach automatycznych ZF serii 5HP, w których sprzęgło mostkujące włączane było tylko na 4. i 5. biegu. Następowało wówczas połączenie wirnika pompy z wirnikiem turbiny za pomocą ciernego sprzęgła blokującego, aby zapobiec stratom energii powstającym przy nieznacznych różnicach obrotów pompy, turbiny i kierownicy. Jeśli prędkość obrotowa turbiny maleje z powodu wzrostu zewnętrznych oporów ruchu pojazdu, różnica jej obrotów w stosunku do pompy i towarzysząca temu zmiana przebiegu strumienia oleju powodują spowolnienie obrotów kierownicy aż do całkowitego jej zatrzymania przez sprzęgło jednokierunkowe. Samoczynnie wzrasta więc przy tym stopień przełożenia przekładni. Na czas tych zmian cierne sprzęgło blokujące ulega rozłączeniu.

Przekładnia hydrokinetyczna pracuje zatem w dwóch zakresach. W fazie przekładni przełożenie momentu obrotowego następuje poprzez zmianę kierunku strumienia na kierownicy. W fazie sprzęgła, w której zmiana kierunku strumienia oleju jest zbędna, kierownica obraca się razem z wirnikami pompy i turbiny. Przebieg strumienia w poszczególnych fazach można wyjaśnić na przykładzie tzw. palisady łopatkowej przedstawiającej kształt i działanie łopatek wszystkich trzech kół.

Sprzęgło mostkujące
Dzisiejsze nowoczesne przekładnie hydrokinetyczne posiadają sprzęgło mostkujące, tzw. lock-up, którego strategia pracy zakłada załączanie go na wszystkich biegach i to jak najwcześniej i jak najczęściej. Poprzez załączenie sprzęgła blokującego w przekładni hydrokinetycznej, przeniesienie momentu obrotowego odbywa się bez poślizgu. Poprawia się dzięki temu skuteczność pracy całej przekładni i zmniejsza zużycie paliwa. Do regulacji sprzęgła mostkującego sterownik skrzyni biegów wykorzystuje następujące sygnały:

- obroty silnika,
- moment obrotowy silnika,
- prędkość obrotową turbiny,
- bieg w danym momencie,
- obroty wałka wyjściowego,
- temperaturę płynu ATF.

Ze względu na to, że przekładnia hydrokinetyczna z otwartym sprzęgłem mostkującym doskonale tłumi drgania skrętne generowane przez jednostkę napędową, a przy załączonym sprzęgle mostkującym ten efekt zanika, konieczne jest stosowanie tłumika drgań skrętnych w tarczy sprzęgła mostkującego, aby również także w tej fazie pracy przekładni uzyskać wystarczające tłumienie drgań skrętnych.

Tłumiki drgań
Obecnie stosuje się 3 typy tłumików drgań dla sprzęgła mostkującego przekładni hydrokinetycznej:

• Turbinowy tłumik drgań skrętnych umieszczony za turbiną przekładni hydrokinetycznej – turbina stanowi część masy pierwotnej tłumika i jest odizolowana od wałka wejściowego skrzyni.
• Klasyczny tłumik drgań skrętnych umieszczony przed turbiną przekładni hydrokinetycznej - turbina stanowi tu część masy wtórnej tłumika i drga razem z wałkiem wejściowym. Dzięki przesunięciu części masy na stronę pierwotną lub wtórną uzyskuje się właściwości tłumiące optymalne dla danej kombinacji silnika i skrzyni biegów.
• Przekładnia z podwójnym tłumikiem - rozwiązanie charakteryzujące się szerokim zakresem tłumienia drgań skrętnych i pozwalające na bardzo wczesne załączanie sprzęgła mostkującego. Rozwiązanie to jest dzisiaj stosowane także w silnikach wysokoprężnych. Zakres, w którym sprzęgło jest regulowane (pracuje z poślizgiem), ograniczono do minimum. Zmniejsza to zużycie paliwa i pozwala kierowcy bardziej bezpośrednio odbierać wrażenia z jazdy. Kolejną korzyścią jest mniejsze obciążenie sprzęgła mostkującego i oleju ATF. Przekładnia z podwójnym tłumikiem ma dwa tłumiki drgań skrętnych. Oba tłumiki są połączone szeregowo i mają różne charakterystyki. Dzięki temu możliwe jest tłumienie drgań w dużym zakresie prędkości obrotowej. Sprzęgło mostkujące można załączać przy jeszcze niższej prędkości obrotowej niż dotychczas.

Dzisiejsze konstrukcje przekładni hydrokinetycznych skrzyń są przekładniami trójkanałowymi. Turbina przekładni jest zasilana olejem przez dwa kanały, a sprzęgło mostkujące jest regulowane osobnym, trzecim kanałem. Załączanie i rozłączanie sprzęgła odbywa się niezależnie od ciśnienia panującego w turbinie. Takie rozwiązanie rozszerza możliwości regulacji sprzęgła.

Mniejszy poślizg
Wprowadzenie dodatkowo wydajnych układów tłumiących i dokładniejsza regulacja sprzęgła mostkującego pozwoliła na dalsze zmniejszenie poślizgu przekładni już od pierwszego biegu. Nowoczesne konstrukcje przekładni hydrokinetycznych wpływają na zmniejszenie zużycia paliwa dochodzące do 6%. W połączeniu z nowoczesnymi skrzyniami automatycznymi ZF 8- czy 9-biegowymi o dużej całkowitej rozpiętości przełożeń dochodzącej do 10, powoduje to, że dzisiejsze automaty podnoszą nie tylko komfort i bezpieczeństwo kierowania, ale również przyczyniają się do zmniejszenia zużycia paliwa.

W pojazdach z najmocniejszymi silnikami zamiast typowego konwertera hydrokinetycznego stosuje sie specjalne sprzęgło wielopłytkowe HCC Hydrodynamically Cooled Clutch®. Jest to hydrodynamicznie chłodzone sprzęgło ze szczególnym, samowymuszającym przez pracujące tarcze sprzęgła, wewnętrznym obiegiem oleju – tak zwanym efektem HCC. Sprzęgło to jest przeznaczone do stosowania w konwencjonalnych automatycznych przekładniach dla przenoszenia dużych prędkości oraz momentów obrotowych. Ze względu na znaczną poprawę chłodzenia HCC® mogą być stosowane w pojazdach o dużych wymaganiach termicznych. Niski moment bezwładności i kompaktowa konstrukcja czynią go idealnym elementem nie tylko do zastosowań sportowych, ale także dla pojazdów z silnym spadkiem mocy wyjścia.

Grzegorz Fedorowicz
Ekspert ZF Services