Sześciobiegowa preselekcyjna skrzynia biegów typu S-Tronic/DSG cz. 1.

Audi
Reklama
Reklama

Idea skonstruowania zautomatyzowanej skrzyni biegów, która pozwalałaby pozbyć się przerw w przeniesieniu napędu podczas zmiany biegów, sięga lat czterdziestych ubiegłego wieku.

 

  • Z konstrukcyjnego punktu widzenia dwusprzęgłowa sześciobiegowa preselekcyjna skrzynia biegów składa się z dwóch równoległych przekładni zwanych odgałęzieniami skrzyni.
  • Skrzynia biegów typu S-Tronic/DSG o oznaczeniu producenta 02E wyposażona jest w podwójne wielotarczowe sprzęgło mokre. 
  • Przekładnia sterowana jest elektrohydraulicznie za pośrednictwem modułu mechatronicznego zawierającego sterownik elektroniczny i hydrauliczny oraz zespół czujników. 
  • Hydrauliczny układ zasilania sprzęgieł odpowiada za ich chłodzenie, smarowanie oraz regulację pracy.
  • Zastosowanie dynamicznej kompensacji ciśnienia w sprzęgłach wpłynęło na poprawę jakości zmiany poszczególnych przełożeń.
Reklama

Niemiecki wynalazca profesor Rudolf Franke opatentował w 1940 r. czterobiegową preselekcyjną skrzynię biegów z podwójnym sprzęgłem. W tamtych czasach wynalazek ten miał zrewolucjonizować przeniesienie napędu w ciężkich pojazdach terenowych. Patent Rudolfa Franke pomimo szeregu innowacji, jakie mógł wprowadzić do konstrukcji ówczesnych przekładni, nie został przez niego zrealizowany praktycznie.

Na wykorzystanie pomysłu niemieckiego profesora świat motoryzacji czekał trzy kolejne dekady, by wreszcie pod koniec lat 70. XX w. koncern Porsche w wyścigowych modelach 956 i 962C zastosował pięciobiegową dwusprzęgłową skrzynię własnej konstrukcji. Duży stopień skomplikowania tej przekładni uniemożliwił wprowadzenie jej do produkcji, gdyż elektryczne sterowanie, które posiadała, było zbyt drogie w użyciu seryjnym. W 2003 r. Volkswagen w Golfie piątej generacji użył sześciobiegowej preselekcyjnej skrzyni biegów określanej jako DSG (Direkt Schalt Getriebe) lub w zastosowaniu z gamą samochodów firmy Audi nazywanej S-Tronic. Konstrukcja tej dwusprzęgłowej przekładni opracowywana była w kooperacji z firmami Borg Warner oraz Temic. Głównym celem współpracy było skonstruowanie automatycznej skrzyni biegów pozwalającej na płynną zmianę przełożenia bez przerw w przenoszeniu napędu przy zachowaniu jej sportowego charakteru i komfortu. Cechą charakterystyczną preselekcyjnej skrzyni S-Tronic/DSG jest połączenie zalet przekładni manualnej z automatyczną. Skrzynia ta jest zautomatyzowaną sześciobiegową przekładnią z podwójnym sprzęgłem sterowanym elektrohydraulicznie. Zastosowanie dwóch sprzęgieł wielopłytkowych wraz ze sterowaniem elektrohydraulicznym pozwala na włączenie dwóch biegów jednocześnie. Strategia zmiany przełożeń skrzyni preselekcyjnej umożliwia jazdę na aktualnie włączonym biegu, podczas gdy kolejny bieg jest już w trybie gotowości, zmiana przełożenia obejmuje rozłączenie aktywnego pierwszego sprzęgła i włączenie drugiego, inicjując przeniesienie napędu na bieg wcześniej przygotowany. Cały proces zmiany przełożenia przebiega pod obciążeniem i na tyle szybko, że praktycznie odbywa się to bez przerw w przekazywaniu napędu.

Schemat budowy dwusprzęgłowej preselekcyjnej skrzyni biegów typu 02E
Schemat budowy dwusprzęgłowej preselekcyjnej skrzyni biegów typu 02E.

Idea preselekcyjnej skrzyni biegów

Z konstrukcyjnego punktu widzenia dwusprzęgłowa sześciobiegowa preselekcyjna skrzynia biegów składa się z dwóch równoległych przekładni zwanych odgałęzieniami skrzyni. Z odgałęzieniem nr 1 są powiązane biegi nieparzyste: pierwszy, trzeci i piąty oraz bieg wsteczny. W odgałęzieniu nr 2 umieszczono biegi parzyste: drugi, czwarty i szósty. Sprzęgło wielopłytkowe P1 przekazuje moment obrotowy z silnika do odgałęzienia nr 1, zaś sprzęgło P2 z silnika do odgałęzienia nr 2. Napęd na koła odbierany jest jedynie z jednego odgałęzienia poprzez aktywne sprzęgło, podczas gdy w drugim odgałęzieniu jest włączony następny bieg – wymagane więc było zastosowanie dwóch wałków wejściowych i dwóch wałków wyjściowych skrzyni biegów.

Charakterystyka techniczna sześciobiegowej preselekcyjnej skrzyni biegów

Sześciobiegowa preselekcyjna skrzynia biegów typu S-Tronic/DSG o oznaczeniu producenta 02E wyposażona jest w podwójne wielotarczowe sprzęgło mokre. Przekładnia sterowana jest elektrohydraulicznie za pośrednictwem modułu mechatronicznego zawierającego sterownik elektroniczny i hydrauliczny oraz zespół czujników. Program zmiany biegów obejmuje swoim zakresem tryby: Tiptronic (ręczna zmiana z opcją przycisków sterujących na kole kierownicy), sportowy lub w pełni automatyczny oraz funkcję „hillholder” wspomagającą wjazd na wzniesienia. Maksymalny moment obrotowy, który może przenieść skrzynia biegów, wynosi do 350 Nm. Dzięki kompaktowej konstrukcji masa przekładni waha się pomiędzy 94 kg a 109 kg, uwzględniając wersje napędu na przednią oś, jak i na wszystkie koła dla VW – 4Motion lub Audi – Quattro. Wymagana ilość oleju do napełnienia skrzyni 02E to 7,2 l (zgodny z normą i specyfikacją VW G052 182).

Schemat ideowy dwusprzęgłowej skrzyni preselekcyjnej
Schemat ideowy dwusprzęgłowej skrzyni preselekcyjnej. Kolorem czerwonym oznaczono odgałęzienie numer 1 przekładni, kolorem niebieskim – odgałęzienie numer 2. Źródło: Mariusz Leśniewski
Reklama

Transfer momentu obrotowego silnika odbywa się poprzez dwumasowe koło zamachowe do piasty wejściowej zespołu sprzęgła podwójnego. Następnie za pośrednictwem sprzęgła podwójnego moment obrotowy przekazywany jest na wałek wejściowy nr 1 lub nr 2, co uzależnione jest od realizowanego przełożenia skrzyni. Koła zębate osadzone na napędzanym wałku wejściowym aktualnego biegu przesyłają moment obrotowy do kół zębatych odpowiedniego wałka wyjściowego (nr 1 lub nr 2). Z kolei wałki wyjściowe napędzają koło zębate przekładni głównej, które przekazuje napęd do mechanizmu różnicowego. W wersji z napędem na cztery koła skrzynia posiada dodatkowo przekładnię kątową. Dzięki współosiowemu montażowi wałków wejściowych skrzyni i koncentrycznie zamocowanym sprzęgłom wielopłytkowym obudowa skrzyni, a co za tym idzie sama skrzynia biegów, mają niewielkie gabaryty i masę.

Podwójne sprzęgło wielopłytkowe – budowa

Piasta wejściowa sprzęgła podwójnego jest napędzana przez silnik za pośrednictwem dwumasowego koła zamachowego, będąc zespawana z tarczą zabierakową, która została zespolona z koszem sprzęgła P1. Dodatkowo piasta główna zespawana jest z koszami sprzęgieł P1 i P2 pozwalających na ich napęd od silnika. Wałek wejściowy skrzyni nr 1 zespolony jest z piastą sprzęgła P1 i analogicznie – wałek wejściowy P2 z piastą sprzęgła P2. Moment obrotowy silnika jest przekazywany na wałki wejściowe za pośrednictwem sprzęgieł P1 i P2. Wałek wejściowy nr 1 (umieszczony koncentrycznie wewnątrz wałka wejściowego nr 2) posiada skośne koła zębate biegów: piątego, trzeciego i wspólne koło biegu pierwszego i wstecznego. Prędkość obrotowa wałka wejściowego mierzona jest na podstawie sygnału z czujnika G501, którego koło impulsowe umieszczone jest pomiędzy kołami zębatymi biegu trzeciego a pierwszego i wstecznego.

Schemat budowy sprzęgieł wielopłytkowych P1 i P2  preselekcyjnej skrzyni biegów typu 02E
Schemat budowy sprzęgieł wielopłytkowych P1 i P2  preselekcyjnej skrzyni biegów typu 02E. Źródło: Volkswagen

Wałek wejściowy nr 2 jest drążony (w środku wałka umieszczony jest wałek wejściowy nr 1) i umieszczone są na nim dwa skośne koła zębate – drugiego biegu i wspólne koło zębate realizujące przełożenie czwarte i szóste. Przy kole zębatym drugiego biegu od strony podwójnego sprzęgła zamocowany jest impulsator czujnika G502 pozwalający na pomiar prędkości obrotowej wałka wejściowego nr 2 przekładni preselekcyjnej.

Wałek biegu wstecznego ma za zadanie zmienić kierunek obrotów wałka wyjściowego nr 2, czyli kierunek obrotów przekładni głównej wraz z mechanizmem różnicowym. Sprzęgło P1 umożliwia transfer momentu obrotowego na biegach pierwszym i wstecznym, więc pracuje w zakresie przełożeń dużo bardziej obciążonych aniżeli sprzęgło P2. Aby umożliwić przeniesienie większego momentu obrotowego, sprzęgło P1 skonstruowane jest jako sprzęgło zewnętrzne posiadające zestaw płytek większej średnicy, co bezpośrednio przełożyło się na podniesienie jego wytrzymałości i mocy. W celu częściowego wyeliminowania niekorzystnych sił bezwładności obracających się cięższych płytek stalowych wymagających cyklicznych zmian prędkości obrotowych, połączono je z koszami sprzęgieł, zaś płytki cierne – z piastami sprzęgieł. Podwójne sprzęgło wielopłytkowe jest w stanie przenieść do 350 Nm momentu obrotowego przy ciśnieniu maksymalnym działającym na tłok dociskowy sprzęgła wynoszącym 10 barów.

Hydrauliczny układ zasilania sprzęgieł

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Hydrauliczny układ zasilania sprzęgieł odpowiada za ich chłodzenie, smarowanie oraz regulację pracy. W piaście głównej wykonywane są obwodowe kanały zasilające, którymi olej dostaje się do obydwu sprzęgieł. Aby sprawność obwodu chłodzenia sprzęgła była jak największa, wyodrębniono indywidualną magistralę, którą dostarczany jest olej chłodzący sprzęgła. Podczas gdy aktywne (włączone) jest sprzęgło P1, olej chłodzący przepływa przez wnętrze sprzęgła P2 (nieaktywnego) następnie dostaje się do środka sprzęgła P1, schładzając je i smarując. Ukierunkowany przepływ (od centrum sprzęgła do zewnętrznych jego obszarów), jak i działanie siły odśrodkowej na strumień oleju intensyfikują właściwy obieg, podwyższając sprawność procesu chłodzenia. Wszystkie te czynniki pozwalają na obniżenie wartości ciśnienia oleju w układzie chłodzenia, ponieważ priorytetową rolę spełnia duża wydajność układu (przepływ max. 20 l/min oleju hydraulicznego). Niekorzystnym zjawiskiem jest wzrost ciśnienia w cylindrach dociskowych sprzęgieł spowodowany działaniem siły odśrodkowej na olej wirujący z dużą prędkością. Proces ten w znacznym stopniu utrudnia fazę regulacji ciśnienia w cylindrach i jest określany jako „dynamiczne generowanie ciśnienia oleju hydraulicznego”. Aby wyeliminować to niekorzystne zjawisko, zastosowano specjalne komory kompensacyjne pozwalające na precyzyjną regulację ciśnienia docisku sprzęgła, a więc na jego niezakłóconą regulację. W przestrzeniach komór kompensacyjnych olej jest doprowadzony z układu chłodzenia pod niewielkim ciśnieniem. Komory umieszczono po stronie przeciwnej do przestrzeni cylindrów dociskowych. Działanie siły odśrodkowej jest takie samo zarówno w przestrzeni komór kompensacyjnych, jak i w obszarze cylindrów dociskowych, pozwala to na zrównoważenie ciśnień oleju hydraulicznego.

Zastosowanie dynamicznej kompensacji ciśnienia w sprzęgłach wpłynęło na poprawę jakości zmiany poszczególnych przełożeń. W razie wystąpienia potencjalnych nieszczelności w przestrzeniach komór kompensacyjnych uszkodzeniu mogą ulec synchronizatory, jak i sprzęgła, gdyż dochodziłoby wówczas do niekontrolowanej regulacji sprzęgieł wielopłytkowych.

Aby precyzyjnie wysterować dane sprzęgło, moduł sterownika mechatronicznego J743 musi otrzymać informacje o:

  • prędkości obrotowej silnika z sensora G28,
  • wejściowej prędkości obrotowej z sensora G182,
  • wejściowej prędkości obrotowej z wałka nr 1 czyli sygnał z sensora G501,
  • momencie obrotowym silnika.
Reklama

O Autorze

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

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama