Automobilové převodovky

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Automobilové převodovky Diplomová práce

Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Brno 2012

Vypracoval: Bc. Petr Polcar

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Automobilové převodovky Vypracoval samostatně a použil jen parametrů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………… podpis diplomanta …………………………

PODĚKOVÁNÍ Zde bych rád poděkoval panu doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. za odborné vedení, důležité rady, ochotu a pomoc při tvorbě této práce. Také chci poděkovat panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D., za velkou ochotu při provádění exaktního měření na Automotodromu Brno, a.s. Dále bych chtěl poděkovat prodejci automobilu AZ SERVIS, a.s., za ochotu a vstřícnost a za zapůjčení měřených automobilů. V neposlední řadě bych rád poděkoval společnosti Automotodrom Brno, a.s., za umožnění měření automobilu na závodní dráze Masarykova okruhu.

ABSTRAKT V této

práci

se

zabývám

zhodnocením

současného

stavu

používaných

automobilových převodovek a porovnání vlivu manuální převodovky a automaticky řazené dvouspojkové převodovky na parametry a chování motoru při jízdě. Úvodem práce je sepsána historie automobilových převodovek, která ukazuje průběh postupného vývoje převodovek. Poté zjednodušeně popisuji spolupráci motoru s převodovým ústrojím a důvod použití převodového ústrojí u automobilu. Dále se zabývám podrobným popisem současných automobilových převodovek používaných u osobních automobilů. Snažím se podrobným textem i obrázkovou formou popsat funkci a konstrukční řešení jednotlivých převodovek a také zhodnotit výhody a nevýhody použití jednotlivých převodovek. V další části práce se zabývám exaktním měřením automobilu Škoda Octavia s manuální převodovkou a automobilu Škoda Octavia s dvouspojkovou převodovkou pro porovnání vlivu dané převodovky na parametry a chování motoru při jízdě. Měření se uskutečnilo na závodní dráze Automotodromu Brno z důvodu velké variability členění zatáček s kombinací velkého převýšení. Výsledkem této práce je porovnání naměřených hodnot otáček motoru, točivého momentu motoru, průměrné spotřeby paliva a zrychlení automobilu. Naměřené hodnoty jsou vykresleny v příslušných grafech.

Klíčová slova: Automobil, motor, převodovka

ABSTRACT This thesis deals with evaluating the current state of automotive gearboxes and comparing the impact of a manual gearbox and an automatically gear changing dualclutch gearbox on the characteristics and behavior of the engine while driving. In the introduction is written the history of automotive gearboxes which shows a gradual development of gearboxes. Then I simply describe the collaboration of an engine with a gear mechanism and the reason for the use of an automotive gearbox. Another part deals with a detailed description of current automotive gearboxes used in passenger cars. I am trying via detailed text and picture form to describe the function and design of individual gearboxes and also to evaluate the advantages and disadvantages of using each gear. The next section deals with the exact measurements of the Skoda Octavia with manual gearbox and the Skoda Octavia with dual-clutch gearbox due comparing the influence of the given gearbox on the parameters and motor behavior while driving. The measurements took place at the Brno circuit race track because of the high variability of the structuring of the curves with a combination of the high camber of the carriageway. The result of this work is to compare the measured values of the engine speed, engine torque, fuel economy and acceleration of the car. The measured values are plotted in the graphs.

Keywords: The car, engine, gearbox

OBSAH 1

ÚVOD............................................................................................................... 9

2

CÍL PRÁCE .................................................................................................... 10

3

HISTORIE AUTOMOBILOVÝCH PŘEVODOVEK................................... 11

4

SPOLUPRÁCE MOTORU S PŘEVODOVÝM ÚSTROJÍM........................ 13

5

ROZDĚLENÍ AUTOMOBILOVÝCH PŘEVODOVEK............................... 16

5.1 Manuální převodovky ..................................................................................... 16 5.1.1

Dvouhřídelové převodovky .................................................................... 17

5.1.2

Tříhřídelové převodovky ........................................................................ 18

5.1.3

Řazení zpětného rychlostního stupně ..................................................... 20

5.1.4

Synchronizační systémy ......................................................................... 21

5.1.4.1 Synchronizace s pružně omezenou přítlačnou silou .......................... 22 5.1.4.2 Synchronizace s clonícím kroužkem.................................................. 23 5.1.4.3 Vnější synchronizace ......................................................................... 24 5.1.5

Řadící ústrojí........................................................................................... 26

5.1.5.1 Tyčové řazení ..................................................................................... 26 5.1.5.2 Hřídelové otočné řazení ..................................................................... 27 5.1.5.3 Lankové řazení ................................................................................... 28 5.2 Samočinné převodovky konvenční konstrukce .............................................. 29 5.2.1

Hydrodynamický měnič točivého momentu........................................... 30

5.2.2

Planetové soukolí.................................................................................... 31

5.2.3

Lamelové brzdy ...................................................................................... 32

5.2.4

Řazení samočinných převodovek konvenční konstrukce ....................... 33

5.3 Samočinné převodovky s plynule měnitelným převodovým poměrem.......... 34 5.3.1

Funkce variátoru u samočinné převodovky CVT ................................... 35

5.3.2

Řazení samočinných převodovek CVT .................................................. 36

5.4 Dvouspojkové převodovky ............................................................................. 38

6

5.4.1

Funkce dvouspojkové převodovky ......................................................... 39

5.4.2

Řazení dvouspojkové převodovky.......................................................... 40

MĚŘENÍ MANUÁLNÍ A DVOUSPOJKOVÉ PŘEVODOVKY ................. 42

6.1 Místo měření ................................................................................................... 42 6.2 Měřené automobily ......................................................................................... 44 7

6.3 Postup měření ................................................................................................. 46 6.3.1

Měření ekonomické jízdy automobilů .................................................... 47

6.3.2

Měření zrychlení automobilů.................................................................. 52

6.4 Porovnání naměřených hodnot ....................................................................... 55 6.4.1

Prezentace naměřených hodnot .............................................................. 55

6.4.2

Zhodnocení naměřených hodnot............................................................. 56

6.4.3

Zhodnocení automobilů .......................................................................... 57

7

ZÁVĚR ........................................................................................................... 59

8

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ............................................................ 60

9

SEZNAM OBRÁZKŮ.................................................................................... 61

10

SEZNAM GRAFŮ ......................................................................................... 62

8

1

ÚVOD Diplomová práce, která je zpracována v rámci státní závěrečné zkoušky mého

dvouletého magisterského studia na Mendlově univerzitě v Brně, obor Automobilová doprava, je na téma „Automobilové převodovky“. Toto téma jsem si zvolil pro podrobnější seznámení s jednotlivými typy převodovek, které se používají u většiny osobních automobilů prodávaných v České republice nebo v zahraničí. Osobní automobily jsou nejčastěji používaným dopravním prostředkem, ať už pro použití na krátkých trasách po městech, nebo na delších trasách po dálnicích, a zvolením správného a vhodného typu převodovky pro komfort jízdy patří k jedním z důležitých prvků při výběru nového automobilu. V dnešní době je na výběr několik typů převodovek od klasických manuálně řazených, kdy veškeré řazení obstarává řidič, až po tzv. automaticky řazené, kdy se řidič během jízdy nemusí starat o správnou volbu převodového stupně. V dřívějších dobách si čeští motoristé nemohli vybírat mezi manuální nebo automatickou převodovku, v České republice dominovala jen manuální převodovka. Dnes tomu tak už není, s pokrokem techniky se automaticky řazené převodovky více dostávají na náš trh. Mnozí řidiči si při výběru typu převodovky neví rady, zda-li manuální převodovka je vhodnější než automatická nebo naopak a proto součástí mé diplomové práce je porovnání rozdílu mezi těmito typy převodovek vyplívající z exaktního měření. Kapitola 6 se zabývá srovnáváním naměřených dat automobilů značky Škoda Octavia s manuálně řazenou převodovkou a automaticky řazenou dvouspojkovou převodovkou typu DSG. Výsledky získané měřením jsou shrnuty v závěru této práce.

Automatické převodovky jsou podle literatury nazývané jako samočinné převodovky a proto je v této diplomové práci budu uvádět pod tímto označení.

9

2

CÍL PRÁCE Diplomová práce je zaměřena na automobilové převodovky. V práci je

zjednodušeně popsána historie, funkce použití a typy v současné době používaných převodovek osobních automobilů, s doplněním názornými obrázky. Součástí diplomové práce je porovnání automobilu s manuální převodovkou a automobilu s dvouspojkovou převodovkou exaktním měřením. Výsledky měření jsou zobrazeny v přehledných grafech.

10

3

HISTORIE AUTOMOBILOVÝCH PŘEVODOVEK Automobilové převodovky mají více než stoletou historii. První automobily

převodovku neměly, pohon hnacích kol byl zajištěn přímo od klikové hřídele motoru. Tento systém se ukázal postupem času jako nevhodný a konstruktéři zjišťovali možnosti, jak ho vyřešit. V roce 1894 zkonstruovali dva francouzští inženýři, Louis-Rene Panhard a Emile Levassor, první automobil s dvoustupňovou převodovkou. Jejich převodovka však nebyla spolehlivá a proto se do výroby nedostala. V roce 1895 přišli s konstrukcí automobilu, která měla funkční třístupňovou převodovku. Tato převodovka byla první funkční manuální převodovkou. Automobil měl motor vpředu, spojku, převodovku a řetězový pohon zadních kol. Princip řazení spočíval v posunování ozubených kol po hřídeli. Manuální převodovka se stala základem pro pozdější konstruktéry automobilových převodovek.

Obr. 1: Automobil Panhard & Levassor s první manuální převodovkou

Manuální převodovky tohoto typu se používaly až do roku 1928, kdy automobilový výrobce Cadillac představil synchronizovanou převodovku. V této převodovce přibyla pomocná ozubená kola, která měla za úkol vyrovnávat rozdíly rychlostí mezi jednotlivými ozubenými koly a zajišťovat tak plynulejší řazení. Tento typ převodovky se postupem času vylepšil a vznikla tak manuální převodovka, která se používá dodnes. Samočinné převodovky mají historii o něco mladší než manuální převodovky. První prototyp samočinné převodovky vyvinuli v roce 1904 bratři Sturtevanové z Bostonu. Jejich vynález měl však řadu nedostatků a tak se do výroby nedostal. V dalších letech se konstruktéři snažili zkonstruovat převodovku, která by zjednodušila řazení a jízdu automobilem. První automobilovou polosamočinnou převodovku 11

v sériové výrově předvedla v roce 1937 automobilka Oldsmobile, která zkonstruovala čtyřstupňovou Automatic Safety Transmission. Převodovka byla tvořena třecí spojkou a planetovými převody, které měly umožnit snadnější řazení. První funkční samočinná převodovka s použitím hydrodynamického měniče točivého momentu a s planetovými převody, byla zkonstruována automobilkou Buick v roce 1948. Tento rok je považován za rok vzniku moderní samočinné převodovky. Dvoustupňová samočinná převodovka s označením „Dynaflow“ se montovala na přání zákazníků do modelu Roadmaster.

Obr. 2: Automobil Roadmaster s první samočinnou převodovkou

Vedle manuálních a samočinných převodovek se v historii převodovek objevila další převodovka, která nesla název dvouspojková. Autorem byl Francouz Adolphe Kegresse, který v roce 1939 přišel s nápadem sloučení dvou převodovek do jedné. K výrobě převodovky nedošlo z důvodu složitého elektronického řízení, které v té době bylo drahé zkonstruovat. První funkční převodovka tohoto typu se objevila až v 80.letech ve sportovních prototypech automobilky Porsche, ve vozech 956 a 962, se kterými automobilka vyhrála 6x po sobě závod 24 hodin LeMans. Převodovka nesla název PDK (Porsche Doppelkupplungs). Dvouspojková převodovka se do sériové výroby dostala až v roce 2003, kdy ji výrobce automobilů Volkswagen pod označením DSG (Direct-Shift Gearbox) začal montovat do modelu Golf R32. ([11] PARKER)

12

4

SPOLUPRÁCE MOTORU S PŘEVODOVÝM ÚSTROJÍM Následující popis je platný pro spalovací motor, který je nejčastěji používán

k pohonu automobilu. Spalovací motor, má určitou otáčkovou charakteristiku. Tato charakteristika motoru není ideální pro celý rozsah rychlosti automobilu při jízdě. Použije-li se samotný motor pro provoz automobilu (bez převodovky), nedokáže efektivně pracovat v celém rozsahu rychlosti automobilu. Nejlepší využití motoru při všech rychlostech automobilu by nastalo v případě, kdyby točivý moment na kolech vyplnil tzv. ideální oblast. Otáčková charakteristika motoru vyplní jen malou část ideální oblasti, viz Obr. 3.

. t s n o k =

x a

Pm

] P [ u r o t o m n o k ý v í c a n h

t s a l b o íu nn l o ák eý dv I

. t s n o k = x P ma

t s a l bu ot ín ne l ám eo dm I

] M [ u r o t o m t n e m o m ý v i č o t

] n [ u r o t o m y k č á t o

] n [ u r o t o m y k č á t o

Obr. 3: Provozní oblast spalovacího motoru

Ideální oblast je ohraničena ideálním průběhem výkonu, který nastane, jel-li Pmax = konstantní v celém rozsahu otáček. Při dosažení tohoto stavu pak s poklesem otáček vzrůstá hyperbolicky točivý moment motoru. Pomocí převodovky je tedy nutno změnit otáčkovou charakteristiku vystupující z motoru tak, aby se co nejvíce přiblížila k ideální oblasti pro provoz automobilu, tj. k ideálnímu průběhu točivého momentu potřebnému k pohonu hnacích kol. Schéma funkce převodovky znázorňuje Obr. 4. Vstupní hodnoty jsou hodnoty vstupující do převodovky z motoru (P1, M1, n1), vystupující hodnoty jsou tyto hodnoty změněné převodovkou (P2, M2, n2).

13

n2 , 2 M , P2

a k v o d o v e ř P

n1 , 1 M , P1

Obr. 4: Schéma změny hodnot převodovkou

Kde:

P1 – vstupní výkon motoru M1 – vstupní točivý moment motoru n1 – vstupní otáčky motoru P2 – výstupní výkon M2 – výstupní točivý moment n2 – výstupní otáčky

pro vstupní výkon platí

P1 ≈ M 1 .n1

(Rovnice 1)

pro výstupní výkon platí

P2 ≈ M 2 .n2

(Rovnice 2)

pro účinnost platí

η=

P2 M 2 .n2 = P1 M 1.n1 M2 n =η 1 M1 n2

z rovnice 3 plyne momentový poměr

(Rovnice 3)

(Rovnice 4)

Obr. 5 vykresluje závislost momentového poměru na otáčkovém poměru dle rovnice 4. Obrázek momentového a otáčkového poměru současně znázorňuje charakteristiku převodovky se čtyřmi převodovými stupni. Spojnice jednotlivých bodů vyjadřuje hranici ideální oblasti. 1

n1 / n2 k e č á t o r ě m o p

M / 2 M ů t n e m o m r ě m o p

Obr. 5: Momentový poměr v závislosti na otáčkovém poměru

14

Použitím stupňové převodovky a spalovacího motoru lze docílit na výstupním hřídeli převodovky momentová pole, která do značné míry vyplňují ideální oblast spalovacího motoru. Kombinaci spalovacího motoru se čtyřstupňovou převodovkou znázorňuje Obr. 6. Obr. 6a znázorňuje momentovou charakteristiku motoru, Obr. 6b znázorňuje charakteristiku stupňové převodovky se čtyřmi rychlostními stupni. Na Obr. 6c je znázorněna

charakteristika

momentu

s momentovými

poli,

která

vystupuje

z převodovky. Momentová pole znázorňují rozsah točivého momentu rychlostního stupně. Mezi ideální oblastí a vyšrafovanými jednotlivými provozními oblastmi momentových polí rychlostních stupňů se nacházejí prázdná místa. Zvolení jednotlivých převodových poměrů musí být takové, aby tato prázdná místa byla co nejmenší a neovlivňovala provoz vozidla, tedy jednotlivá momentová pole jednotlivých rychlostních stupňů by se měla překrývat. )

M

2

1

M / 2 M

)

c

b

1

a

1

M

)

. 1

2

. 2

3

4

t s a l b o í n l á e d I

. 3 ň e p u t s . 4

n2

n1 / n2

n1

Obr. 6: Změna momentové charakteristiky motoru převodovkou

Na Obr. 7 je znázorněna výkonová charakteristika spalovacího motoru bez převodovky a s použitím čtyřstupňové převodovky.

. 3

P2

P1

. 2

. 1

t s a l b o íu nn l o ák eý dv I

ň e p u t s . 4 n2

n1

Obr. 7: Změna výkonové charakteristiky motoru převodovkou ([2] VLK, 2000)

15

5

ROZDĚLENÍ AUTOMOBILOVÝCH PŘEVODOVEK Základní rozdělení automobilových převodovek: •

Manuální převodovky

•

Samočinné převodovky konvenční konstrukce

•

Samočinné převodovky s plynule měnitelným převodovým poměrem

•

Dvouspojkové převodovky

5.1 Manuální převodovky Manuální převodovka, je typem převodovky, kde veškeré řazení a ovládání převodovky zajišťuje jen obsluha (řidič). Řidič má k dispozici spojkový pedál a řadící páku, se kterou podle jeho uvážení řadí jednotlivé rychlostní stupně v závislosti na otáčkách motoru a rychlosti vozidla. Manuální převodovky, jsou v dnešní době nejvíce využívanými převodovkami u osobních automobilů. Nejvíce se používají u automobilů nižších a středních cenových tříd z důvodu jejich nízkých nákladů na výrobu a tím i nízkou konečnou celkovou cenu vozidla. Jejich největší výhoda spočívá ve vysoké účinnosti přenášeného točivého momentu. Přenos momentu obstarávají šikmá ozubená soukolí, která dosahují účinnost převodu až 98%. Další přednosti tohoto typu převodovky jsou nízká hmotnost, nezávislá volba rychlostních stupňů a rozměrová kompaktnost. Naopak nevýhoda této převodovky je skutečnost, že při jízdě do stoupání a řazení jiného převodového stupně se vlivem vypnutí spojky přeruší hnací moment a vozidlu se může snížit pojezdová rychlost. Převodovky se v dnešní době u osobních automobilů konstruují jako čtyřstupňové, pětistupňové nebo i šestistupňové. Volba počtu rychlostních stupňů záleží na výkonnosti motoru a rozsahu otáček. Konstrukce převodovky se odvíjí od umístění motoru (vzadu, vpředu, napříč, podélně). Nejrozsáhlejším typem umístění motoru a převodovky je vpředu napříč nebo vpředu podélně.

Manuální převodovky se rozdělují typově na: •

Dvouhřídelové – nesouosé převodovky

•

Tříhřídelové – souosé převodovky

16

5.1.1

Dvouhřídelové převodovky

Dvouhřídelové převodovky se nejčastěji používají u vozů s blokovým uspořádáním hnacího ústrojí tj. s motorem (M), spojkou (S), rozvodovkou (R) a převodovkou (P) uloženou pohromadě u hnací nápravy vozidla, viz Obr. 8. Uspořádání může být podélné nebo napříč k vozu. Nejvíce je tento typ převodovky zastoupen u výrobců automobilových značek Volkswagen, Škoda a Seat.

P R S

M

Obr. 8: Vozidlo s blokovým uspořádáním hnacího ústrojí

Převodovky tohoto typu mají převodové ústrojí složené ze dvou hřídelí – hnací a hnané, které jsou uložené navzájem rovnoběžně, avšak každá má jiný směr otáčení. Hnací hřídel je pevně spojená se spojkou a přenáší do převodovky točivý moment od motoru, který je dále v převodovce měněn. Prostřednictvím hnané hřídele je změněný točivý moment přenášen z převodovky do rozvodovky, kde je rozdělen na hnací kola. Obě hřídele jsou opatřeny ozubenými koly s různým počtem zubů, které spolu tvoří stálé ozubené soukolí. Ve dvouhřídelové převodovce je tolik ozubených soukolí, kolik má převodovka rychlostních stupňů. Hnací hřídel je opatřena typy ozubených kol, které nemají s hřídelí pevně spojenou vazbu. Propojení ozubených kol s hřídelí se provádí synchronizační spojkou. Ozubená kola na hnané hřídeli jsou uložena pevně v drážkách a současně se otáčí s hřídelí. Princip činnosti změny točivého momentu v převodovce spočívá v postupném řazení jednotlivých rychlostních stupňů, tj. postupném propojováním hnací hřídele s jednotlivými ozubenými koly pomocí synchronizačních spojek. Hnací ozubená kola, která tvoří soukolí s hnanými ozubenými koly, mění točivý moment, který slouží k pohonu vozidla. Při zařazeném neutrálním stupni je sice hnací hřídel spojená přes spojku s motorem a její otáčky jsou stejné jako otáčky motoru, ale ozubená kola na hnací hřídeli a současně hnaná hřídel se svými ozubenými koly nejsou s hnací hřídelí spojeny a jejich otáčky závisí na otáčkách hnané nápravy vozidla (pohybu vozidla). 17

Jednoduché schéma dvouhřídelové pětistupňové převodovky bez zpětného rychlostního stupně je znázorněno na Obr. 9. Pod obrázkem je naznačen přenos 1

2

3

4

5

točivého momentu u jednotlivých převodových stupňů.

M 1

M 2 1

MMMMMM

5 2 4 2 3 2 2 2 1 2

Obr. 9: Schéma dvouhřídelové pětistupňové převodovky ([1] VLK, 2006; [4] BROŽ,TRNKA, 2007 )

5.1.2

Tříhřídelové převodovky

Použití těchto převodovek je převážně u vozidel s uspořádáním hnacího ústrojí, kde motor (M), spojka (S) a převodovka (P) jsou umístěny v přední části vozidla a spojovací hřídel přenáší točivý moment do rozvodovky (R), která se nachází na zadní nápravě vozidla a zajišťuje pohon hnacích kol, viz Obr. 10. Toto uspořádání se nejčastěji používá např. u BMW nebo Mercedes-Benz.

R

P S

M

Obr. 10: Vozidlo se standardním uspořádáním hnacího ústrojí

18

Tříhřídelové převodovky mají oproti dvouhřídelovým převodové ústrojí složené ze tří hřídelí – hnací, předlohová a hnaná. Hnací a hnaná hřídel jsou u tohoto typu převodovky uložené ve stejné ose a hřídele se otáčejí stejným směrem. Předlohová hřídel je uložena rovnoběžně s hnací i hnanou a slouží k tomu, aby se hnaná hřídel při přenosu točivého momentu otáčela stejným směrem jako hnací hřídel. Hnací hřídel u tříhřídelové převodovky je opatřena jen jedním ozubeným kolem, který je pevně spojen drážkou s hřídelí a je v záběru s ozubeným kolem na předlohové hřídeli. Na předlohové hřídeli jsou pevně uložená ozubená kola s rozdílným počtem zubů, které jsou trvale v záběru s ozubenými koly uloženými volně na hnané hřídeli a tvoří tak ozubené soukolí. Ozubené soukolí, které spojuje hnací hřídel a předlohovou hřídel, se otáčí vždy s hnací hřídelí a roztáčí tak i předlohovou hřídel a však opačným směrem než se otáčí hnací hřídel. Na hnané hřídeli jsou uloženy typy ozubených kol, které nejsou trvale spojeny s hnanou hřídelí. Spojení ozubených kol s hřídelí se provádí, stejně jako u dvouhřídelové převodovky, prostřednictvím synchronizačních spojek. Princip činnosti a změny točivého momentu u tříhřídelové převodovky spočívá v postupném spojováním ozubených kol uložených na hnané hřídeli s hnanou hřídelí. Při nastání této situace se propojí ozubenými soukolími hnaná hřídel s předlohovou hřídelí, která je trvale spojena ozubeným soukolím s hnací hřídelí. Přenos točivého momentu se tak u tříhřídelových převodovek přenáší přes dvě soukolí (dva páry ozubených kol). Tříhřídelové převodovky mají oproti dvouhřídelovým převodovkám výhodu v uspořádání hnací a hnané hřídele v jedné ose. Tento způsob uložení hřídelí nám umožňuje tzv. přímé řazení rychlostního stupně, kdy se pomocí synchronizační spojky propojí obě hřídele (hnací i hnaná) a převod točivého momentu se nezměněn přenáší od motoru na hnací kola vozidla. Výhoda přímého záběru je, že se nevyužívá k přenosu točivého momentu žádné ozubené soukolí převodovky, kde účinnost přenosu vlivem mechanických ztrát klesá. Přímý záběr se používá většinou jako nejvyšší převodový stupeň, zejména výhodný při dálničním provozu. Obr. 11 znázorňuje jednoduché schéma tříhřídelové pětistupňové převodovky. Zpětný rychlostní stupeň zde není znázorněn. Přenos točivého momentu u jednotlivých převodových stupňů znázorňuje schéma pod obrázkem.

19

M

M

2

1

MMMMM

1

1 2

MMMMM

2 2

1

3 2 4 2

1 1

5 2

1

Obr. 11: Schéma tříhřídelové pětistupňové převodovky ([1] VLK, 2006; [4] BROŽ, TRNKA, 2007)

5.1.3

Řazení zpětného rychlostního stupně

Automobilové převodovky, jsou opatřeny převodovými stupni které se používají pro jízdu dopředu, ale také pro jízdu dozadu (couvání). Převodový stupeň který se používá k jízdě dozadu se nazývá „zpětný rychlostní stupeň“. Zařazením zpětného rychlostního stupně se docílí převodem otáček v převodovce tak, aby se hnaná hřídel otáčela opačným směrem než jakým se otáčí při zařazeném rychlostním stupni pro jízdu dopředu. Změna směru otáčení hnané hřídele se docílí ozubeným soukolím, ve kterém je vloženo jedno ozubené kolo navíc, tj. přenos točivého momentu u zpětného rychlostního stupně se provádí přes tři ozubená kola. Vložené ozubené kolo je uložené na vlastní hřídeli a slouží ke změně směru otáčení soukolí. Dva druhy řazení zpětného rychlostního stupně jsou schématicky znázorněné u dvouhřídelové převodovky na Obr. 12. Obrázek znázorňuje první rychlostní stupeň (1) a zpětný rychlostní stupeň (R). Obr. 12a schématicky znázorňuje ozubené soukolí zpětného rychlostního stupně, kdy vložené ozubené kolo (Z) je trvale v záběru s ozubeným soukolím. Řazení se zde provádí synchronizační spojkou. Princip řazení - viz kapitola 5.1.1. 20

Obr. 12b znázorňuje schéma řazení zpětného rychlostního stupně posuvným ozubeným kolem. Na hnací a hnané hřídeli jsou pevně uložena ozubená kola zpětného rychlostního stupně. Řazení se provádí při stojícím vozidle, kdy se posuvné ozubené kolo (Z) zařadí mezi ozubená kola zpětného převodu a tímto soukolím se propojí hnací hřídel s hnanou hřídelí. )

R

1

b

R

1

a

)

M

M

1

1

Z

Z M

M

2

2

1

MMM

1

MMM

1 2

1 2

R 2

R 2

Obr. 12: Typy řazení zpětného rychlostního stupně

Řazení zpětného rychlostního stupně synchronizační spojkou a posuvným ozubeným kolem se používá u dvouhřídelové převodovky, ale i u tříhřídelové převodovky. ([1] VLK, 2006)

5.1.4

Synchronizační systémy

Synchronizační spojky jsou neodmyslitelnou součástí automobilových převodovek. Jejich funkce slouží k vyrovnávání rozdílu rychlosti otáček hřídele a ozubeného kola rychlostního stupně před jejich spojením. Vyrovnávání rychlostí se zajišťuje vzájemným třením kuželových ploch synchronizační spojky a ozubeného kola. Spojením těchto dvou komponentů se vytvoří pevná vazba, která slouží v převodovce k přenosu točivého momentu.

21

Synchronizační spojky slouží k bezhlučnému a rychlému zařazení jednotlivých rychlostních stupňů. Základní typy synchronizačních spojek jsou: •

Synchronizace s pružně omezenou přítlačnou silou

•

Jištěná synchronizace s clonícím kroužkem

•

Vnější synchronizace

5.1.4.1 Synchronizace s pružně omezenou přítlačnou silou Synchronizace

s pružně

omezenou

přítlačnou

silou

patří

konstrukčně

k jednoduchému typu synchronizační spojky. Schéma je znázorněno na Obr. 13. Synchronizační spojka je složená z řadící objímky (1) a synchronizačního tělesa (2), které jsou mezi sebou propojeny několika pojistnými kuličkami (3). Synchronizační těleso je na hřídeli uloženo tak, že se otáčí stejnými otáčkami jako hřídel, ale dá se axiálně posouvat. Řadící objímka se na synchronizačním tělese axiálně posouvá a slouží k propojení voleného ozubeného kola se synchronizační spojkou. Pojistné kuličky jsou uloženy v obvodové drážce synchronizačního tělesa a vlivem přítlačné síly vyvinuté pružinami zabraňují samovolnému posunutí řadící objímky. Funkce synchronizační spojky nastává při řazení, kdy se řadící objímka i se synchronizačním tělesem přesouvá směrem k ozubenému kolu. Brzdný kužel (4) spojený se synchronizačním tělesem, je tlačen na třecí kužel (7) ozubeného kola a vzniklým třením se vyrovnávají otáčky mezi synchronizační spojkou a ozubeným kolem. Při vyrovnání rychlosti otáček, překoná řadící objímka přítlačnou sílu pojistné kuličky a přesune se axiálně (bez synchronizačního tělesa) na unášecí ozubení (5). Tímto propojením se zařadí převodový stupeň a vznikne pevná vazba mezi synchronizační spojkou a ozubeným kolem. Nevýhoda této synchronizační spojky spočívá v rychlosti řazení. Při malé přítlačné síle mezi brzdným kuželem a třecím kuželem je zapotřebí delšího času pro synchronizaci otáček ozubeného kola a synchronizační spojky. Pokud je třeba zařadit rychleji, zvýšíme tlak na řadící páku, což vede k dřívějšímu překonání odporu kuličkové pojistky a k zařazení dojde dříve, než se otáčky vyrovnají. Řazení je v tomto případě hlučné a namáhá ozubení řadící objímky a unášecího ozubení.

22

6

2

5

3 1

4

7

a

)

b

)

c

1. řadící objímka 2. synchronizační těleso 3. pojistná kulička 4. brzdný kužel 5. unášecí ozubení 6. ozubené kolo 7. třecí kužel

)

Obr. 13: Synchronizace s pružně omezenou přítlačnou silou ([1] VLK, 2006)

5.1.4.2 Synchronizace s clonícím kroužkem Synchronizační spojka s clonícím kroužkem pracuje na podobném principu jako synchronizační spojka v kapitole 5.1.4.1. Nevýhoda předchozí synchronizační spojky v možnosti předčasného zařazení řadící objímky do unášecího ozubení je zde chráněna clonícím kroužkem, který zabraňuje zařazení před vzájemným vyrovnáním otáček. Synchronizace s clonícím kroužkem se typově zařazuje do kategorie jistící synchronizace. Funkce jistící synchronizace s clonícím kroužkem je znázorněna na Obr. 14. Synchronizační spojka se skládá z řadící objímky (1), synchronizačního tělesa (2) a třech jistících tělísek (3), které jsou rozmístěny po obvodu synchronizačního tělesa a jsou tlačeny pružnými pojistnými kroužky (4) do drážky v řadící objímce. Jistící tělíska zabraňují samovolnému posunutí řadící objímky a při řazení slouží k přitlačování clonícího kroužku (5) na třecí kužel (8) ozubeného kola (6). Při řazení se axiálně přesouvá řadící objímka spolu s jistícími tělísky směrem k unášecímu ozubení, které je na voleném ozubeném kole. Čelní plochy jistících tělísek 23

přitlačují clonící kroužek na třecí kužel a rozdílnými otáčkami mezi synchronizačním tělesem a převodovým kolem vzniká brzdný moment, při kterém jsou zešikmené zuby na clonícím kroužku tlačeny do zešikmených zubů v řadící objímce a další posuv je znemožněn (Obr. 14b). Třením mezi clonícím kroužkem a třecím kuželem se vyrovnávají otáčky mezi synchronizačním tělesem a ozubeným kolem. Jakmile dojde k vyrovnání otáček, brzdný moment působící na clonící kroužek zanikne a pohybem řadící objímky směrem k ozubenému kolu se překonají pružné jistící kroužky. Řadící objímku lze tak dále posunout do unášecího ozubení (Obr. 14c). Propojením unášecího ozubení a synchronizačního tělesa se zařadí převodový stupeň. a

)

4 2 7

5

1

b

)

1. řadící objímka 2. synchronizační těleso 3. jistící tělíska 4. pružné jistící kroužky 5. clonící kroužek s jistícím ozubením 6. ozubené kolo 7. unášecí ozubení 8. třecí kužel

c

)

Obr. 14: Synchronizace se clonícím kroužkem ([1] VLK, 2006; [4] BROŽ, TRNKA, 2007)

5.1.4.3 Vnější synchronizace Dalším typem jistící synchronizace je vnější synchronizace, zkonstruovaná automobilkou Mercedes-Benz. Synchronizační spojka se konstrukčně odlišuje od ostatních synchronizačních systémů tím, že synchronizační kroužek je trvale spojen přes ozubení s unášecím ozubením. Schéma vnější synchronizace je znázorněno na Obr. 15.

24

Synchronizační spojka se skládá z řadící objímky (1), synchronizačního tělesa (2) a synchronizačního kroužku (3). Synchronizační těleso je pevně uloženo na hřídeli a nelze s ním axiálně pohybovat. Řadící objímka je spojena přes ozubení se synchronizačním tělesem a při řazení se axiálně posouvá směrem k synchronizačnímu kroužku. Synchronizační kroužek má na vnitřní straně ozubení, kterým tvoří spojení s unášecím ozubením (5). Vnější průměr synchronizačního kroužku je kuželovitý, pro synchronizaci otáček s řadící objímkou. Při řazení se řadící objímka přesouvá axiálně směrem k ozubenému kolu a dosedá svou třecí plochou na vnější třecí plochu synchronizačního kroužku. V důsledku rozdílných otáček mezi řadící objímkou a synchronizačním kroužkem vzniká tření, které vyrovnává otáčky. Po dosažení stejných otáček, se řadící objímka spolu se synchronizačním kroužkem axiálně přesune směrem k ozubenému kolu a vnitřním ozubením řadící objímky se propojí unášecí ozubení se synchronizačním tělesem. Tímto spojením se zařadí převodový stupeň. Při vyřazení rychlostního stupně, je synchronizační kroužek vytlačován pružným jistícím kroužkem (4) zpět do jeho výchozí polohy. Synchronizační spojka typu vnější synchronizace má výhodu ve větším průměru třecích ploch, které umožní rychlou synchronizaci s potřebnou malou silou pro řazení. 6

3

5

1

a

)

4

1. řadící objímka 2. synchronizační těleso 3. synchronizační kroužek 4. pružné jistící kroužky 5. unášecí ozubení 6. ozubené kolo

2

b

)

c

)

([1] VLK, 2006; [4] BROŽ, TRNKA, 2007)

Obr. 15: Vnější synchronizace

25

5.1.5

Řadící ústrojí

Řazení rychlostních stupňů u manuálně řazené stupňové převodovky se provádí řadícím ústrojím, které se ovládá řadící pákou. Řadící páka pak volí svým pohybem směrem doleva nebo doprava řadící objímku a řadícím pohybem dopředu nebo dozadu se uvede do záběru příslušné ozubené kolo. Řidič si prostřednictvím řadící páky volí jednotlivé rychlostní stupně sám, dle svého uvážení.

Základní rozdělení řadícího ústrojí je: •

tyčové řazení

•

hřídelové otočné řazení

•

lankové řazení

5.1.5.1 Tyčové řazení Řadící ústrojí tohoto typu se používá u vozidel, které mají převodovku umístěnou v těsné blízkosti řadící páky. Schéma základního tyčového řadícího ústrojí je znázorněno na Obr. 16. Obrázek znázorňuje tří-tyčové řadící ústrojí pro pětistupňovou převodovku se synchronizační spojkou. Řadící ústrojí je složeno z řadící páky (1) a z tří řadících tyčí (4) uložených rovnoběžně vedle sebe. Každá řadící tyč je opatření jednou řadící vidlicí (6), která přenáší řadící pohyb na řadící objímku (7) synchronizační spojky. Při řazení řidič zvolí pohybem řadící páky doprava nebo doleva požadovanou řadící tyč a řadící palec (3) se přesune do drážky řadící tyče. Následným podélným pohybem řadící páky dopředu nebo dozadu se axiálně přesune řadící tyč s řadící vidlicí a řadící objímkou se zařadí rychlostní stupeň. Protože každá řadící vidlice může řadit řadící objímku na dvě protilehlá ozubená kola, jsou na řadící tyči tři drážky (dvě koncové a jedna středová), které slouží k zajištění zvoleného rychlostního stupně pomocí aretace (5) proti samovolnému pohybu.

26

1 2 8

6

R

2

7

5

4

1

4

3

2

4

8

í n e z a ř

a b l o v 1

3

R

3

5

4

5

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

řadící páka kulový kloub řadící palec řadící tyč aretace řadící vidlice řadící objímka ozubené kolo

Obr. 16: Tyčové řazení ([1] VLK, 2006)

5.1.5.2 Hřídelové otočné řazení Hřídelové otočné řazení patří do kategorie řadících ústrojí, kde převodovka není v blízkosti řadící páky, tj. převodovka je umístěna v přední nebo zadní části vozidla. Základní jednoduché hřídelové otočné řazení je znázorněno na Obr. 17. Mezi řadící pákou a řadícími vidlicemi v převodovce je vložena otočná hřídel a několik propojovacích tyčí. Pohyby řadící páky jsou přenášeny na otočnou hřídel, která se při volbě převodového stupně (B) natočí a při řazení (A) se posune. Oba tyto pohyby jsou přenášeny do převodovky, kde se propojovacími tyčemi ovládají řadící vidlice. Nevýhodou této převodovky je přenos vibrací z motoru na řadící páku do interiéru.

šipka A. pohyb při volbě šipka B. pohyb při řazení

([1] VLK, 2006)

Obr. 17: Hřídelové otočné řazení

27

5.1.5.3 Lankové řazení Často používaným řadícím systémem u osobních automobilů je systém lankového ovládání. Používá se u automobilů, kde vzdálenost mezi řadící pákou a převodovkou je velká nebo špatně dostupná. Obr. 18 znázorňuje systém lankového řazení Škoda Octavia. Spojení řadící páky a převodovky zajišťují dvě lanka. Jedno lanko slouží ke zvolení rychlostního stupně (A) a druhé k jeho zařazeni (B). Řadící a volící pohyby řadící páky při řazení se mění na axiální pohyby lanek, které přenášejí pohyb na volící a řadící páčku. Volící páčka přeměňuje axiální pohyb na otáčivý pohyb a tímto pohybem volí určitou řadící vidličku. Řadící páčka přeměňuje axiální pohyb na otáčivý pohyb, kterým zařadí vybranou řadící vidličku a tím zařadí převodový stupeň. Lankové řazení má oproti tyčovému a hřídelovému řazení řadu výhod. Největšími z nich jsou malé konstrukční rozměry a minimalizace přenosu vibrací a hluku do interiéru.

1. 2. A. B.

páčka řazení volící páčka lanko volbě lanko řazení

šipka A. pohyb při volbě šipka B. pohyb při řazení

Obr. 18: Lankové řazení ([1] VLK, 2006; [3] SCHWARZ, 2010)

28

5.2 Samočinné převodovky konvenční konstrukce Samočinné převodovky konvenční konstrukce patří mezi nejstarší a nejdéle používané samočinné převodovky. První samočinná převodovka této konstrukce u automobilu byla použita v roce 1948 americkou automobilkou Buick. Po vzniku samočinné převodovky se začaly hlavně americké automobilky předhánět ve vývoji a modernizaci samočinných převodovek. Samočinné převodovky se používají pro pohodlí řidičů a usnadnění obsluhy vozidla, neboť řazení převodových stupňů se děje automaticky. Automobily mají místo spojky hydrodynamický měnič, který přenáší točivý moment do stupňové převodovky tvořené planetovými soukolími. Výhodou planetového soukolí je v poměrně širokém spektru možnost řazení rychlostních převodů, schopnost snášet velké točivé momenty a řadit pod tzv. zatížením. Zatímco u klasických manuálních převodovek s čelním ozubením je nutné při řazení rychlostních stupňů převodovku odpojit od motoru, planetová ústrojí mění převodové stupně spojováním nebo zastavováním jednotlivých členů soukolí. Funkci klasické spojky použité u manuálních převodovek nahrazuje u samočinných převodovek hydrodynamický měnič, který na základě zákonů hydrodynamiky přenáší plynule točivý moment z motoru do převodovky. Nevýhodou samočinných převodovek konvenční konstrukce oproti manuálním převodovkám je nižší účinnost. Samočinné převodovky dosahují účinnost mezi 85% až 95%, oproti manuálním převodovkám, které mají účinnost až 98%. Další nevýhodou je větší hmotnost převodovky, která je způsobena použitím hydrodynamického měniče a dále pak vyšší prodejní cena ovlivněna použitím složitějších komponentů oproti manuální převodovce.

Samočinné převodovky musí při používání splňovat určité požadavky, mezi které například patří: •

rozjezd vozidla musí být plynulý

•

řazení převodových stupňů musí být plynulé

•

u zaparkovaného vozidla musí být zablokováno převodové ústrojí

•

zařazený převodový stupeň musí být závislý na zatížením motoru a momentální rychlosti vozidla

•

při plném sešlápnutí akceleračního pedálu se musí zařadit nižší převodový stupeň umožňující rychlejší akceleraci 29

Základní uspořádání samočinné převodovky konvenční konstrukce je zobrazeno na Obr. 19. Samočinná převodovka se skládá z následujících hlavních systémů: •

hydrodynamický měnič točivého momentu

•

planetové soukolí

•

lamelové brzdy

Obr. 19: Samočinná převodovka konvenční konstrukce ([1] VLK, 2006; [5] ŠTENGL, 2011)

5.2.1

Hydrodynamický měnič točivého momentu

Hydrodynamický měnič je vstupním prvkem samočinné převodovky. Skládá se ze tří lopatkových kol - čerpadlového, spojeného s klikovou hřídelí motoru, turbínového spojeného se vstupním hřídelem převodovky a reaktorového, který je spojen se skříní měniče a může se otáčet jen ve stejném směru jako čerpadlové a turbínové kolo. Hydrodynamický měnič nahrazuje u automobilu spojku. Jeho úkolem je plynule přenášet a měnit točivý moment s rostoucím zatížením motoru, využíváním proudění kapaliny uvnitř měniče. Čerpadlové kolo je poháněno motorem se shodnými otáčkami. Vlivem odstředivé síly je kapalina tlačena mezi lopatkami čerpadlového kola směrem ven a roztáčí turbínové kolo. Dochází tak k přeměně kinetické energie kapaliny na

30

otáčivý pohyb turbíny. Kapalina poté proudí přes lopatky reaktoru znovu do čerpadlového kola. Tím je vnitřní oběh kapaliny v měniči uzavřen, viz Obr. 20.

Obr. 20: Rozložené schéma hydrodynamického měniče točivého momentu

Výhoda hydrodynamického měniče oproti klasické spojce: •

plynulý rozjezd vozidla

•

při prudké akceleraci nedochází k prokluzování kol

•

odstraňuje rázy a kmity v převodovce vyvozené motorem

•

odpadá spojkový pedál

Nevýhody hydrodynamického měniče oproti klasické spojce: •

větší hmotnost vlivem kapalinové náplně

•

menší účinnost přenosu točivého momentu ≈ 85%

•

dražší cena výroby = dražší pořizovací cena ([5] ŠTENGL, 2011)

5.2.2

Planetové soukolí

Použití planetového soukolí u samočinných převodovek je z důvodu umožnění řazení převodových stupňů pot zatížením, tzn. při řazení nedojde k přerušení točivého momentu. Řazení se provádí zastavením jednoho nebo více členů planetového soukolí pomocí lamelových brzd. Planetové soukolí se skládá z korunového kola s vnitřním

31

ozubením, satelitů což jsou ozubená kola s vnějším ozubením kroužící na unášeči a centrálního kola s vnějším ozubením, viz Obr. 21. V dnešní době se samočinné převodovky konstruují se dvěmi nebo třemi planetovými soukolími, které můžou společně vytvořit až osm rychlostních stupňů pro řazení.

Obr. 21: Planetové soukolí ([5] ŠTENGL, 2011)

5.2.3

Lamelové brzdy

Při řazení rychlostních stupňů v samočinných převodovkách se jednotlivé pohybové členy planetových soukolí buď zablokují, nebo jsou některé členy spolu pevně spojeny. Úkolem lamelové brzdy u samočinných převodovek, je zastavit nebo spojit v určitém okamžiku příslušné členy planetového soukolí (centrální kolo, satelity, korunové kolo) a tímto stavem změnit převodový stupeň v převodovce. Lamelová brzda svou konstrukcí připomíná lamelovou třecí spojku. Jak lamelová spojka, tak i lamelová brzda je tvořena ocelovými lamely s vnějšími drážkami, lamely s obložením a vnitřními drážkami a ocelovým nosičem, viz Obr. 22.

1. ocelový nosič 2. lamely s obložením a vnitřními drážkami 3. ocelové lamely s vnějšími drážkami

Obr. 22: Schéma lamelové brzdy

([1] VLK, 2006)

32

5.2.4

Řazení samočinných převodovek konvenční konstrukce

Samočinné převodovky jsou typem převodovky, kdy řazení převodových stupňů se děje automaticky řídícím systémem. Řidič volí volící pákou na středové konzole režim jízdy a řídící jednotka, podle zvoleného režimu a na základě získaných informací od senzorů, řadí jednotlivé rychlostní stupně sama. Volící páka samočinných převodovek na středové konzole nemá, jako u řadící páky manuální převodovky, mechanickou vazbu s převodovkou a proto se volený režim jízdy převádí na elektronický signál posílaný do řídící jednotky. Řídící jednotka pak obstarává veškeré řazení rychlostních stupňů.

Volící pákou u samočinných převodovek je možnost volit následující jízdní režimy: P – parkování R – zpětný chod N – neutrál D – normální jízda na všechny rychlostní stupně 3 – k dispozici pouze 1. až 3. rychlostní stupeň (vlnitý terén) 2 – k dispozici pouze 1. a 2. rychlostní stupeň (dlouhé klesání) 1 – k dispozici pouze 1. rychlostní stupeň (strmé horské úseky)

Obr. 23: Typy volící páky u samočinných převodovek konvenční konstrukce ([1] VLK, 2006; [5] ŠTENGL, 2011)

33

5.3 Samočinné

převodovky

s plynule

měnitelným

převodovým

poměrem Samočinné

převodovky

tohoto

typu

patří

k automatickým

převodovkám

označovaným anglickou zkratkou CVT (Continously Variable Transmission), tj. plynule měnitelný převod. První převodovka s plynule měnitelným převodovým poměrem, byla použita v roce 1958 pro osobní automobily DAF pod označením Variomatic. Samočinné převodovky CVT se vyznačují oproti manuálním převodovkám nebo samočinným převodovkám konvenční konstrukce tím, že nemají žádné pevně stanovené převodové stupně, pouze zpravidla velmi velké rozpětí od nejlehčího do nejtěžšího převodu. Mezi těmito dvěma extrémy může převodovka měnit převod plynule bez jakýchkoli rázů a trhání. To se projevuje v příjemném pocitu z jízdy automobilem, kdy zcela odpadne projev řazení. Samočinným převodovkám s plynule měnitelným převodovým poměrem odpadá nutnost mít spojkový pedál, převodovka má jen rozjezdovou spojku - elektronicky řízenou lamelovou nebo hydrodynamický měnič. Princip činnosti nejčastěji používané plynule měnitelné převodovky CVT je založen na principu tzv. variátoru tvořeného dvěmi řemenicemi spojenými ocelovým řetězem. Existují i další typy plynule měnitelných převodovek, např. planetové nebo toroidní. V této kapitole bude popsána jen převodovka pracující na principu tzv. variátoru. Schéma samočinné převodovky CVT zobrazuje Obr. 24.

Výhody oproti samočinným převodovkám konvenční konstrukce: •

celkový rozměr převodovky je menší

•

převodovka je lehčí

•

převodovka může mít větší rozsah převodových stupňů (tzv. nekonečno)

Nevýhody oproti samočinným převodovkám konvenční konstrukce: •

samočinné převodovky CVT přenesou jen malý točivý moment

•

nejslabším článkem převodovky je řemen – velké ztráty, prokluz, nejnamáhavější část převodovky

34

Obr. 24: Samočinná převodovka s plynule měnitelným převodovým poměrem ([6] ŠTENGL, 2011; [12] OLIVÍK, 2011)

5.3.1

Funkce variátoru u samočinné převodovky CVT

Samočinná převodovka CVT pracuje na principu tzv. variátoru. Variátor tvoří dvě řemenice s axiálně posuvnými kuželovými koly, mezi nimiž obíhá ocelový pás nebo řetěz. Jedna řemenice je spojena se vstupním hřídelem (primární), druhá s výstupním (sekundární). Změna převodového poměru je realizována koordinovaným axiálním posouváním kuželových kotoučů řemenic, čímž se mění průměr řemenice, který řemen opisuje. Při rozjezdu, kdy je zapotřebí největší převod, resp. tažná síla, je na primární řemenici nastaven nejmenší průměr. Jelikož má řemen pevnou délku (nepočítáme-li mírné deformace), sekundární řemenice se sama nastaví na největší průměr. Při rychlé jízdě je to naopak. Nastavení průměru řemenic má na starost řídící jednotka, která na základě senzorů, rychlosti vozidla a otáček motoru vyhodnotí potřebný převodový stupeň (průměr řemenic) pro jízdu. Zatímco primární řemenice je ovládaná řídící jednotkou pomocí hydrauliky, u sekundární řemenice se průměr nastavuje konstantní pružinou. Princip změny převodového poměru u variátoru zobrazuje Obr. 25.

35

Obr. 25: Princip funkce variátoru ([6] ŠTENGL, 2011; [12] OLIVÍK, 2011)

5.3.2

Řazení samočinných převodovek CVT

Řazení u samočinných převodovek s plynule měnitelným převodovým poměrem je obdobné jako u samočinných převodovek konvenční konstrukce. Řazení rychlostních stupňů (změna průměru řemenic) obstarává řídící jednotka, která na základě údajů senzorů ovládá hydraulicky nastavování průměru řemenic variátoru. Řidič má k dispozici na středové konzole volící páku, kterou volí příslušný režim jízdy. Volící páka samočinných převodovek CVT nemá stejně jako u konvenční konstrukce mechanickou vazbu s převodovkou a proto volený režim jízdy se převádí na elektronický signál.

Volící pákou u samočinných převodovek CVT lze zvolit následující jízdní režimy: P – parkování R – zpětný chod N – neutrál D – normální jízda 36

Volící páka u samočinných převodovek s plynule měnitelným převodovým poměrem může mít různou konstrukci. Obr. 26 zobrazuje dva typy konstrukčního řešení volící páky. Na obrázku vpravo je zobrazena běžná volící páka použitá u většiny automobilů s CVT převodovkou. Volící páka umožňuje i manuální řazení v levé dráze volby, kdy převodovka má předefinované tzv. rychlostní stupně (průměry řemenic). Řazení se provádí krátkým přesouváním volící páky do odpružených poloh + a –. Posunutím páky do polohy + se řadí o jeden vyšší rychlostní stupeň, posunutím do polohy – o jeden rychlostní stupeň nižší. Obrázek vlevo zobrazuje volící páku u cenově dražších automobilů. Otočením volící páky doprava nebo doleva se vybere příslušný jízdní režim pro ovládání automobilu.

Obr. 26: Volící páky u samočinných převodovek s plynule měnitelným převodovým poměrem ([1] VLK, 2006; [6] ŠTENGL, 2011)

37

5.4 Dvouspojkové převodovky Dvouspojkové převodovkami

u

převodovky osobních

jsou

konstrukčně

automobilů.

První

nejmladšími

sériové

použití

používanými převodovky

v automobilech bylo v roce 2003, kdy výrobce automobilů Volkswagen sestrojil dvouspojkovou převodovku pod označením DSG (Direct-Shift Gearbox). Od té doby se stále více stává žádaným produktem mezi automobilovými převodovkami a jejich vývojem se zabývá stále více automobilek a výrobců převodovek. Důvod stálé vysokého zájmu je, že převodovka v sobě skrývá vysokou účinnost manuálně řazené stupňové převodovky a jízdní komfort samočinné převodovky. U této převodovky odpadá nutnost mít spojkový pedál. Převodovka má hlavní výhodu v možnosti řazení pod tzv. zatížením, tzn. změna převodového stupně se mění bez přerušení hnací síly vozidla. Dvouspojkové převodovky jsou typy převodovek, které mají základ ve dvojici paralelně uspořádaných dvouhřídelových převodovkách, viz Obr. 27. Použitím dvou paralelních převodovek se docílí rychlého a plynulého přeřazení na rozdíl od manuálních nebo samočinných převodovek. Jedna převodovka slouží pro řazení lichých převodových stupňů a druhá pro řazení sudých převodových stupňů a zpátečky. Do převodovky je přiváděn točivý moment přes speciální automatickou dvojitou spojku, která je tvořena dvěma paralelními spojkami (spojkou S1 a spojkou S2). Každá spojka přenáší točivý moment na jednu převodovku. Díky této elektro-hydraulicky ovládané spojce mohou být v převodovce zařazeny dva rychlostní stupně najednou (jeden na liché sekci a druhý v sudé sekci). Pokud momentový tok je přenášen např. spojkou S1, tak spojka S2 je rozepnutá a naopak.

Obr. 27: Schéma přenosu točivého momentu ve dvouspojkové převodovce ([7] LÁNÍK, 2004; [9] SAJDL, 2011)

38

5.4.1

Funkce dvouspojkové převodovky

Princip funkce je popsán na schématu 7° DSG převodovky. Obr. 28 znázorňuje stav při rozjezdu. Při rozjezdu vozidla jsou v každé převodovce zařazeny automaticky zároveň dva rychlostní stupně (1° a 2°). Po sešlápnutí plynu je automaticky sepnuta spojka (S1) pro první rychlostní stupeň a točivý moment se přes spojku přenáší do převodovky na zvolený první rychlostní stupeň. Spojka (S2) je v tomto okamžiku rozepnutá a nepřenáší točivý moment na zařazený druhý rychlostní stupeň. Automobil se rozjíždí a v okamžiku, kdy motor dosáhne optimálních otáček pro řazení, dojde k postupnému rozepínání spojky S1 za současného zapínání spojky S2. Tímto okamžikem se zařadí druhý rychlostní stupeň. Celé řazení trvá řádově jen tisíciny sekundy, je tedy mnohem rychlejší, než změna rychlostního stupně u samočinných převodovek. Navíc při řazení nedochází k přerušení toku momentu na hnací kola vozidla.

Obr. 28: Dvouspojková převodovka DSG při zařazeném 1° rychlostním stupni

Při jízdě se zařazeným druhým rychlostním stupněm a sepnuté spojce S2 je spojka S1 rozepnutá. Řídící elektronika vyřadí první rychlostní stupeň a připraví k zařazení třetí rychlostní stupeň, který je zařazen na nezatížené větvi převodovky. V okamžiku, kdy motor dosáhne optimálních otáček pro řazení dojde znovu k postupnému rozepínání spojky S1 a současnému zapínání spojky S2 se zařazeným třetím rychlostním stupněm, viz Obr. 29. Při dalším řazení se cyklus opakuje, řídící elektronika vyhodnotí jestli připraví čtvrtý nebo druhý rychlostní stupeň. Při řazení se musí vystřídat vždy lichý 39

a sudý cyklus. Pokud se řadí z šestého rychlostního stupně na druhý, musí se mezi tím sepnout pátý nebo třetí rychlostní stupeň.

Obr. 29: Dvouspojková převodovka DSG při zařazeném 2° rychlostním stupni ([7] LÁNÍK, 2004; [8] VAVERKA, 2008)

5.4.2

Řazení dvouspojkové převodovky

Automaticky řazená dvouspojková převodovka může pracovat ve dvou provozních režimech, v automatickém nebo s manuální volbou rychlostních stupňů. Volba režimu se provádí přesunutím volící páky převodovky do určité polohy, vlevo pro automatický režim jízdy nebo vpravo pro manuální režim jízdy. Volící pákou lze tak pohybovat ve dvou různých drahách volby.

Při použití automatického režimu, volí řidič pákou v levé dráze volby jízdní pozice: P – parkování R – zpětný chod N – neutrál D – jízda v ekonomickém režimu S – jízda ve sportovním režimu

40

Obr. 30: Volící páka u dvouspojkové převodovky

Použitím manuálního režimu v pravé dráze volby se řazení provádí krátkým přesouváním volící páky do odpružených poloh + a -. Posunutím páky do polohy + se řadí o jeden vyšší rychlostní stupeň, posunutím do polohy – o jeden rychlostní stupeň nižší. Při použití automatického režimu nebo manuálního režimu, se spojka ovládá automaticky elektro-hydraulickým řídícím systémem. ([3] SCHWARTZ, 2010)

41

6

MĚŘENÍ MANUÁLNÍ A DVOUSPOJKOVÉ PŘEVODOVKY Pro exaktní měření byly zvoleny dva typy převodovek – manuální a dvouspojková. Tyto typy převodovek byly zvoleny proto, že ve svém počtu jsou nejvíce

zastoupeny při výrobě automobilů. Princip měření spočíval ve zjišťování vlivu dané převodovky na parametry motoru. Bylo tedy třeba vybrat automobily stejného typu a se stejným motorem. Pak bylo možné usuzovat, že rozdíly ve měření jsou způsobeny pouze rozdílným typem převodovky. Proto aby měření nebylo ovlivněno i okolním provozem, bylo zvoleno uzavřené místo měření. Pro měření bylo využito měřící techniky z ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity.

6.1 Místo měření Porovnávání automobilu s manuální převodovkou a automobilu s dvouspojkovou převodovkou, se uskutečnilo na závodní dráze Automotodromu Brno. Automotodrom Brno je znám svou rozsáhlou motoristickou historií, která se datuje od roku 1987, kdy byl okruh poprvé zpřístupněn pro motoristický sport. Od tohoto roku se na závodní dráze vystřídalo mnoho automobilových a motocyklových závodních kategorií. Okruh je špičkovou závodní tratí splňující nejpřísnější kritéria pro pořádání prestižních světových motoristických závodů v podobě Mistrovství světa silničních motocyklů (MotoGP), Mistrovství světa Superbike a Mistrovství světa cestovních automobilů (WTCC). Porovnávání dvou automobilů se lépe uskutečňuje při jízdě v reálných a neměnných podmínkách než při laboratorních testech na válcovém dynamometru, a proto jsem měření zvolil provádět na Automotodromu Brno. Toto místo zaručilo nerušený průběh testů a neovlivněné naměřené výsledky. Závodní dráha je celosezónně vytížená pořádáním závodních podniků nebo testováním. Mnoho závodních týmů jí dává přednost pro testování před jinými konkurenčními okruhy z důvodu velké variability členění zatáček s kombinací velkého převýšení. Závodní dráha nabízí v určitém místě maximální klesání 5 % a maximální stoupání až 7,52 %, viz Obr. 31. 42

K dispozici pro měření byla celá závodní dráha o délce 5 403,19 m a šířce 15 m, která má mnoho bezpečnostních výjezdních zón v případě havárií a proto měření bylo z bezpečnostní stránky bezpečné. Parametry závodní dráhy Délka dráhy

5 403,19 m

Šířka dráhy

15 m

Zatáčky

14 (6 levých, 8 pravých)

Maximální délka přímého úseku

636,56 m

Maximální stoupání

7,52 %

Maximální klesání

5%

Výškový rozdíl dráhy

73,75 m

Nejrychlejší kolo – Formule1

1:37 min.

Obr. 31: Výškový profil závodní dráhy

Obr. 32 vykresluje půdorys závodní dráhy. Podél obvodu dráhy je zobrazena vzdálenost v km od startu až po cíl a maximálně dosažitelné rychlosti v jednotlivých úsecích dráhy. Dosažitelné rychlosti jsou platné pro závodní motocykly Mistrovství světa silničních motocyklů.

Obr. 32: Půdorys závodní dráhy

43

6.2 Měřené automobily Škoda Octavia 2.0 TDI CR 103 kW 6-stup. mech. Typ motoru

vznětový

Objem motoru

1968 cm3

Maximální výkon

103 kW

Maximální točivý moment

320 Nm / 1750 – 2500 ot/min

Převodovka

6-stupňová manuální

Pohon

poháněná přední náprava

Pohotovostní hmotnost

1300 kg

Udávaná spotřeba výrobcem

kombinovaná - 4,8 l/100km město - 6,1 l/100km mimo město – 4,0 l/100km

Zrychlení 0-100 km/h

9,5 s

Stav ujetých kilometrů

38 000 km

Pneumatiky

195/65 – R15

Obr. 33: Škoda Octavia – 6-stup. manuální

44

Škoda Octavia Combi 2.0 TDI CR 103 kW 6-stup. DSG Typ motoru

vznětový

Objem motoru

1968 cm3

Maximální výkon

103 kW

Maximální točivý moment

320 Nm / 1750 – 2500 ot/min

Převodovka

6-stupňová dvouspojková DSG

Pohon

poháněná přední náprava

Pohotovostní hmotnost

1400 kg

Udávaná spotřeba výrobcem

kombinovaná - 5,4 l/100km město - 7,0 l/100km mimo město – 4,6 l/100km

Zrychlení 0-100 km/h

9,7 s

Stav ujetých kilometrů

136 000 km

Pneumatiky

195/65 – R15

Obr. 34: Škoda Octavia Combi – 6-stup. DSG

Oba automobily byly vybrány tak, aby jejich motory byli totožné a tím výsledky porovnávacích měření, které byly získány měřením chování motoru, byly srovnatelné. Různé tedy byly jen převodovky a hmotnost automobilu (jeden automobil byl v provedení combi), která však měla na měřené výsledky zanedbatelný vliv. Tyto vozy byly také vybrány z důvodu jejich největší prodejnosti v České republice, kde výrobce automobilů Škoda má největší zastoupení v prodeji osobních automobilů. 45

6.3

Postup měření Porovnání automobilů s manuální a dvouspojkovou převodovkou exaktním

měřením se provádělo dne 1.3.2012. Automobily pro měření nebyly upravovány a nemusely být k nim namontované žádné senzorové snímače pro snímání a měření provozního stavu automobilu. Měřená data pro porovnávání automobilů se získávala v reálném čase během měřící jízdy z palubní diagnostiky OBDII automobilu, která byla prostřednictvím diagnostické zásuvky propojena s PC, viz Obr. 35. Měřená data se ukládala v diagnostickém programu na PC a vyhodnocovala v programu Microsoft Excel.

Obr. 35: Schéma zapojení měření s PC

Porovnání dvou automobilů s odlišnými typy převodovky je zaměřeno na měření provozních parametrů motoru a vliv použité převodovky na chování motoru. Automobil s dvouspojkovou převodovkou má možnost volit dva druhy jízdního režimu – ekonomický (D) a sportovní režim (S). Oba dva režimy automobilu s dvouspojkovou převodovkou jsou zahrnuty do porovnávání s automobilem s manuální převodovkou. Měření se provádělo s využitím všech výhod závodní dráhy, která pro testování automobilů má všechny předpoklady.

Porovnávání automobilů na závodní dráze je rozděleno na dvě měření: •

Měření ekonomické jízdy automobilů, viz kap. 6.3.1

•

Měření zrychlení automobilů, viz kap. 6.3.2

46

6.3.1

Měření ekonomické jízdy automobilů

Měření je založeno na porovnání naměřených parametrů automobilů při běžné ekonomické jízdě, bez prudkých startů a velkých výkyvů rychlostí. Pro měření se využila celá délka závodní dráhy, která simulovala jízdu automobilem mimo město. Účelem měření je naměřit a porovnat průměrnou spotřebu automobilů, průběh rozdílu otáček motorů při jízdě, průběh točivého momentu motoru a průběh rychlostí porovnávaných automobilů. Obr. 36 znázorňuje graf s vynesením rychlosti automobilů a otáček motoru v jednotlivých částech závodní dráhy. Obr. 37 pak znázorňuje půdorys závodní dráhy s vyznačenými rychlostmi měřených automobilů.

Rychlost (km/h)

0

50

Otáčky motoru (1/min)

100

150

Čas (s)

200

250

120

3500

100

3000 2500

80

2000

60

1500

40

1000

20

500

0

0

Obr. 36: Vynesení rychlosti automobilu a otáčky motoru na závodní dráze

Obr. 37: Půdorys závodní dráhy s vyznačenými rychlostmi při měření

47

Otáčky motoru (1/min)

Rychlost (km/h)

Při měření se postupně jednotlivými automobily třikrát projíždělo celou závodní dráhu a měřily se hodnoty motoru automobilů. Měření se provádělo se snahou zachování stejného tempa jízdy, tedy zachování stejné rychlosti v každém místě závodní dráhy a to v každém projížděném okruhu. Graf 1 zobrazuje naměřenou průměrnou rychlost pro všechna měření automobilů. Průměrná rychlost automobilů se pohybovala v rozmezí 1,4 km/h, což dokladuje, že měření probíhalo při stejných rychlostech automobilů. Průměrná rychlost (km/h) Manuální převodovka

80

79,9

79,6

78,6

Rychlost (km/h)

70 60

Průměrná rychlost (km/h) DSG režim D

50 40 30 20

Průměrná rychlost (km/h) DSG režim S

10 0

Graf 1: Průměrná rychlost měřených vozidel

Naměřené průběhy rychlostí automobilů za tři projeté okruhy zobrazuje Graf 2. V grafu jsou vykresleny křivky rychlosti automobilu s manuální převodovkou

Rychlost (km/h)

a automobilu s dvouspojkovou převodovkou v režimu D a v režimu S. 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

100

200

300

400

500

600

Rychlost vozidla (km/h) - Manuální převodovka Rychlost vozidla (km/h) - DSG režim D Rychlost vozidla (km/h) - DSG režim S

Graf 2: Průběh rychlosti měřených vozidel

48

700

800 Čas (s)

Graf 3 zobrazuje naměřené průběhy otáček motoru automobilů. I když rychlost byla při všech měření stejná, otáčky motoru se lišily. Pro lepší vizualizaci je v grafu vykreslena střední hodnota otáček jednotlivých naměřených křivek. Střední hodnota otáček motoru s použitím manuální převodovky se pohybovala v úrovni 1905 min-1. Otáčky motoru byly ovlivněny řazením řidiče, které se provádělo dle jeho uvážení. Střední hodnoty otáček motoru s dvouspojkovou převodovkou jsou vykresleny pro sportovní režim jízdy (S) a pro ekonomický režim jízdy (D). Pro ekonomický režim jízdy se hodnota pohybovala v úrovni 1751 min-1, pro sportovní režim pak v úrovni 2419 min-1. Řazení rychlostních stupňů se provádělo automaticky dle nastavení

Otáčky motoru (1/min)

parametrů řídící jednotky.

4000 3750 3500 3250 3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0

2419 1905 1751

0

100

200

300

400

500

600

700

Otáčky motorul (1/min) - Manuální převodovka

Otáčky motoru (1/,min) - DSG režim D

Otáčky motoru (1/min) - DSG režim S

Střední otáčky (1/min) - Manuální převodovka

Střední otáčky (1/min) - DSG režim D

Střední otáčky (1/min) - DSG režim S

800 Čas (s)

Graf 3: Průběh otáček motoru měřených vozidel

Naměřený průběh točivého momentu motoru je vykreslen na Graf 4. Graf zobrazuje průběh točivého momentu automobilu s dvouspojkovou převodovkou režimu D a v režimu S. Automobil s manuální převodovkou zde není vykreslen z důvodu nekompaktnosti řídící jednotky automobilu a diagnostického zařízení u PC. Pro lepší porovnání průběhu jsou v grafu vykresleny střední hodnoty točivého momentu. Automobil při jízdě v režimu S měl střední hodnotu točivého momentu v hodnotě 99,3 Nm a při jízdě v režimu D v hodnotě 120,7 Nm.

49

Točivý moment motoru (Nm)

320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

120,7 99,3

0

100

200

300

400

500

600

700

Točivý moment motoru (Nm) - DSG režim D

800 Čas (s)

Točivý moment motoru (Nm) - DSG režim S Střední hodnota - Točivý moment motoru (Nm) - DSG režim D Střední hodnota - Točivý moment motoru (Nm) - DSG režim S

Graf 4: Průběh točivého momentu motoru

Porovnání průběhu spotřeby je vykresleno na Graf 5. Graf zobrazuje průběhy hodinové spotřeby paliva (l/h) při jízdě automobilu s dvouspojkovou převodovkou. Průběh hodinové spotřeby paliva automobilu s manuální převodovkou zde není vykreslen z důvodu nekompaktnosti řídící jednotky automobilu a diagnostického zařízení u PC. Pro přesnější porovnání hodinové spotřeby paliva jsou vykresleny střední hodnoty hodinové spotřeby paliva. Střední hodnota spotřeby pro jízdu ekonomickým režimem jízdy (D) je 5,28 l/h a pro jízdu sportovním režimem jízdy (S) 5,65 l/h.

50

Hodinová spotřeba paliva (l/h)

17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

5,65 5,28

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Hodinová spotřeba paliva (l/h) - DSG režim D

Čas (s)

Hodinová spotřeba paliva (l/h) - DSG režim S Střední hodninová spotřeba paliva (l/h) - DSG režim D Střední hodinová spotřeba paliva (l/h) - DSG režim S

Graf 5: Průběh hodinové spotřeby paliva měřených vozidel

Graf 6 zobrazuje porovnání průměrné spotřeby paliva automobilů na ujetou vzdálenost 100km. V levé části grafu jsou přepočteny hodnoty střední hodinové spotřeby paliva z Graf 5 doplněné průměrnou spotřebou automobilu s manuální převodovkou. Spotřeba paliva automobilu s manuální převodovkou je pro porovnání odečtena z měření z palubního počítače automobilu. Při pozdějším porovnání udávené spotřeby paliva palubním počítačem u automobilu s DSG převodovkou a naměřenými hodnotami se dá usuzovat, že udávaná spotřeba palubním počítačem je pravdivá. V pravé části grafu je vyjádřen procentuální rozdíl spotřeby paliva u jednotlivých typů

Spotřeba (l/100km)

převodovek. 25 22%

20 15 10 5

11% 5,9 l

6,6 l

7,2 l

0 Průměrná spotřeba (l/100km) - Manulání převodovka Průměrná spotřeba (l/100km) - DSG režim D Průměrná spotřeba (l/100km) - DSG režim S

Graf 6: Průměrná spotřeba paliva (l/100km) měřených vozidel

51

6.3.2

Měření zrychlení automobilů

Měření zrychlení spočívalo v měření maximálního zrychlení automobilů. Při tomto měření se zjišťoval průběh maximálního zrychlování automobilů s odlišnými typy převodovek a průběh otáček motoru. Do měření byly zahrnuty i dva volitelné jízdní režimy (D a S) automobilu s dvouspojkovou převodovkou. Měření probíhalo na cílové rovině závodní dráhy, která je nejdelším přímým úsekem. Délka pro měření činila 636 m. Při měření se průběh maximální akcelerace automobilu zjišťoval z hodnoty 0 km/h po maximální hodnotu rychlosti, kterou nám přímý úsek umožnil dosáhnout. Cílová rovina má sklon 0,5 %, proto se měření provádělo v obou směrech přímého úseku pro zamezení možnosti zkreslení výsledků. Měřené jízdy se pro každý automobil prováděly čtyřikrát a ve výsledku porovnání se porovnávaly průměry hodnot naměřených jízd.

Naměřené hodnoty pro automobil s manuální převodovkou jsou zobrazeny v Graf 7. Na křivkách zrychlení jsou vidět místa, kdy se přeřazoval rychlostní stupeň na vyšší. V těchto místech je zrychlení výrazně sníženo, z důvodu přerušení hnací síly při sešlápnutém spojkovém pedálu. Graf 8 a Graf 9 zobrazuje zrychlení automobilu s dvouspojkovou převodovkou v ekonomickém režimu D a ve sportovním režimu S. Zrychlování probíhá plynule, bez ztrát při přeřazování rychlostních stupňů, které jsou patrny u automobilu s manuální

Rychlost (km/h)

převodovkou. 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

Zrychlení 1 - Manuální převodovka

Zrychlení 2 - Manuální převodovka

Zrychlení 3 - Manuální převodovka

Zrychlení 4 - Manuální převodovka

20

Graf 7: Průběh zrychlení automobilu s manuální převodovkou

52

25 Čas (s)

Rychlost (km /h)

160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

Zrychlení 1 - DSG režim D

Zrychlení 2 - DSG režim D

Zrychlení 3 - DSG režim D

Zrychlení 4 - DSG režim D

20

25 Čas (s)

Rychlost (km/h)

Graf 8: Průběh zrychlení automobilu s automatickou převodovkou DSG režim D

160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

Zrychlení 1 - DSG režim S

Zrychlení 2 - DSG režim S

Zrychlení 3 - DSG režim S

Zrychlení 4 - DSG režim S

20

25 Čas (s)

Graf 9: Průběh zrychlení automobilu s automatickou převodovkou DSG režim S

Graf 10 vykresluje průměrné hodnoty zrychlení automobilů. V grafu jsou pro přesnější vzájemné porovnání zobrazeny naměřené průměrné hodnoty z měřených jízd. Křivky zrychlování u dvouspojkovou převodovky v režimu D a S mají stejný průběh. Křivka automobilu s manuální převodovkou má nižší průběh zrychlování z důvodu ztrát točivého momentu při přeřazování rychlostních stupňů. V grafu jsou vyznačeny časy za které automobily dosáhly hranici 100 km/h a 140 km/h. 53

Rychlost (km/h)

160 140 120 100 80 60 40 20 10,46

11,12

19,62 20,07 21,02

0 0

5

Zrychlení - Manuální převodovka

10

15

Zrychlení - DSG reřim D

20 Zrychlení - DSG režim S

25 Čas (s)

Graf 10: Průběhy zrychlení automobilů

Graf 11 zobrazuje průběh otáček motoru pří zrychlení automobilů. V grafu je vidět rozdílné

řazení

rychlostních

stupňů

porovnávaných

převodovek.

Automobil

s dvouspojkovou převodovkou má stejný průběh zrychlení v režimu D a S, jak je zobrazeno v Graf 10, a stejnou náběhovou křivku po přeřazení rychlostního stupně, ale

Otáčky motoru (1/min)

otáčky motoru se pro řazení rychlostního stupně pohybují v jiném rozsahu.

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

5

10

15

20

Otáčky motoru (1/min) - Manuální převodovka Otáčky motoru (1/min) - DSG režim D Otáčky motoru (1/min) - DSG režim S

Graf 11: Průběhy otáček motoru při zrychlení automobilu

54

25

Čas (s)

6.4 Porovnání naměřených hodnot 6.4.1

Prezentace naměřených hodnot

Pro přehlednější rekapitulaci naměřených hodnot, jsou hodnoty měřených parametrů zobrazeny v Tabulce 1. Tabulka obsahuje parametry a hodnoty, které se měřily při porovnávání zvolených typů převodovek automobilů.

Tabulka 1: Naměřené hodnoty jednotlivých parametrů

č.

Parametr

Jednotka

Automobil s manuální převodovkou

Automobil s dvouspojkovou převodovkou režim D

Automobil s dvouspojkovou převodovkou režim S

Viz Graf

1

Průměrná rychlost

km/h

79,9

79,6

78,6

Graf 1

2

Střední hodnota otáček

1/min

1905

1751

2419

Graf 3

3

Střední hodnota točivého momentu

Nm

-

120,7

99,3

Graf 4

4

Spotřeba paliva

l/h

-

5,28

5,65

Graf 5

5

Spotřeba paliva

l/100km

5,9

6,6

7,2

Graf 6

6

Zrychlení 0 - 100 km/h

s

11,12

10,46

10,46

Graf 10

7

Zrychlení 0 - 140 km/h

s

21,02

20,07

19,62

Graf 10

Řádek 1 obsahuje naměřené hodnoty průměrné rychlosti automobilů. Rychlost automobilů byl jediný parametr, který bylo možno při měření ovlivnit. Pro měření bylo podstatné, aby rychlosti automobilů byli shodné, z důvodu možnosti porovnání dalších parametrů. Řádky 2 – 5 zobrazují parametry, které byli naměřeny při měření ekonomické jízdy. Hodnoty měřených parametrů slouží k porovnání automobilů při běžné jízdě mimo město. U manuální převodovky nejsou doplněny u střední hodnoty točivého momentu a spotřeby paliva v l/h naměřené hodnoty z důvodu nekompaktnosti řídící jednotky a diagnostického zařízení u PC. Řádky 6 a 7 zobrazují parametry naměřené při měření zrychlení automobilů. Hodnoty parametrů slouží k porovnání maximálního zrychlování na uvedenou rychlost.

55

6.4.2

Zhodnocení naměřených hodnot

Řádek 2, tabulky 1 zobrazuje naměřené střední hodnoty otáček motoru. Při jízdě po závodní dráze, se automobily pohybovaly stejnou rychlostí, ale otáčky motoru se lišily. Důvod rozdílných otáček je v použití druhu převodovky. U manuální převodovky obstarával řazení rychlostních stupňů řidič dle jeho uvážení a hodnota středních otáček byla 1905 min-1. U dvouspojkové převodovky obstarává řazení řídící jednotka. Při jízdě se zvoleným ekonomickým režimem (D) byla střední hodnota otáček 1751 min-1. U zvoleného sportovního režimu jízdy (S) řazení rychlostních stupňů rovněž obstarávala řídící jednotka, ale režim představuje sportovní pojetí a proto střední hodnota otáček byla 2419 min-1. V řádku 3 jsou zobrazeny hodnoty průběhu točivého momentu. Hodnoty manuální převodovky nejsou naměřeny z důvodu nekompaktnosti řídící jednotky. Hodnota středního točivého momentu u dvouspojkové převodovky režimu D se pohybovala ve 120,7 Nm oproti režimu S, kde byla 99,3 Nm. Hodnoty naznačují, že v režimu převodovky D pracuje motor s využitím vyššího točivého momentu než při režimu S. Řádek 4 a řádek 5 zobrazuje hodnoty parametru spotřeby paliva. Nejnižší naměřenou spotřebu paliva vyjádřenou v l/100km měl automobil s manuální převodovkou. Hodnota spotřeby byla 5,9 l/100km. Automobil s dvouspojkovou převodovkou v režimu D měl spotřebu o 11 % vyšší 6,6 l/100km a v režimu S vyšší až o 22 %, 7,2 l/100km. Řádek 6 a řádek 7 zobrazuje naměřené hodnoty při zrychlování. U automobilu s manuální převodovkou řazení obstarával řidič při vypnuté spojce a rozpojeném točivém momentu, takže při řazení rychlostních stupňů se zrychlení blížilo nule. Při pohledu na naměřené hodnoty a příslušný graf je patrné, že postupem času a počtem řazení se zrychlení snižuje, oproti automobilu s dvouspojkovou převodovkou. Zrychlení z 0 – 100 km/h měl automobil za 11,12 s, z 0 – 140 km/h za 21,02 s. U automobilu s dvouspojkovou převodovkou řazení obstarává řídící jednotka postupným vypínáním a zapínáním dvou paralerních spojek, které zajišťují trvalý tok točivého momentu na hnaná kola. Při řazení tak nedochází ke ztrátám zrychlování, jak je tomu u manuální převodovky. Zrychlování z 0 – 100 km/h je u režimu D a S shodný za 10,46 s, ale při zrychlování z 0 – 140 km/h se už liší. Režim D zrychlí za 20,07 s, režim S za 19,62 s.

56

6.4.3

Zhodnocení automobilů

Tato kapitola je zaměřena na porovnání vlastností měřených automobilů, které se liší v důsledku použití jiných typů převodovky. Tyto vlastnosti mohou mít vliv na poptávku, či prodejnost automobilů.

Automobil s manuální převodovkou Automobil má převodovku, kde si řidič volí rychlostní stupně sám, dle jeho uvážení. Při jízdě s tímto automobilem záleží na řidiči, jak se budou pohybovat otáčky motoru, při agresivní jízdě se otáčky mohou pohybovat vysoko a při normální ekonomické jízdě nízko. Při měření se zjišťovala spotřeba paliva, která dnes, ale i v budoucnosti bude hrát velkou roli. Průměrná spotřeba byla naměřena 5,9 l/100km. V porovnání se spotřebou udávanou výrobcem měl automobil spotřebu o 1,1 l vyšší. Tato spotřeba byla ovlivněna hmotností osazené posádky, kdy při měření byly v automobilu přítomni tři osoby. Přesto však tato spotřeba byla stále nižší, než u automobilu s dvouspojkovou převodovkou. Lze usuzovat, že automobilu s manuální převodovkou dají přednost řidiči, pro které je hlavním kritériem při výběru automobilu spotřeba paliva.

Automobil s dvouspojkovou převodovkou DSG Automobil má převodovkou, kde veškeré řazení obstarává řídící jednotka, která řadí rychlostní stupně automaticky, dle předem naprogramovaného jízdního režimu. Při ekonomickém režimu jízdy se střední hodnota otáček pohybovala v 1751 min-1, a při využití střední hodnoty točivého moment 120 Nm. Ekonomický režim se vyznačuje nízkými otáčkami, ve kterých využíval motor většího točivého momentu než při sportovním režimu jízdy. Toto využití se vyznačovalo nižší spotřebou paliva v porovnání se sportovním režimem. Spotřeba paliva byla 6,6 l/100km. Při sportovní jízdě se střední hodnota otáček pohybovala v 2419 min-1. Tento režim jízdy představuje agresivnější styl při využití vyšších otáček motoru. Využití točivého momentu bylo 99,3 Nm. Spotřeba paliva se pohybovala 7,2 l/100km. Měření se provádělo s osazením tří osob v automobilu a proto spotřeba paliva se lišila od udávané spotřeby výrobcem u režimu D o 1,2 l. Při měření zrychlení bylo zjištěno, že automobil s dvouspojkovou převodovkou má lepší průběh akcelerace než automobil s manuální převodovkou, kdy zrychlení z 0 -

57

100 km/h je za 10,46 s. Je však nutné podotknout, že tato výhoda je vykoupena větší spotřebou paliva. Lze usuzovat, že automobilu s dvouspojkovou převodovkou dají přednost řidiči, kteří preferují komfort při řízení, kdy není vyžadována činnost řidiče při řazení rychlostních stupňů, nebo preferují schopnost automobilu lépe akcelerovat.

Obr. 38: Měřené automobily Škoda Octavia

58

7

ZÁVĚR Diplomovou práci jsem vypracoval s cílem porovnání vlivu manuální převodovky

a automaticky řazené dvouspojkové převodovky na parametry a chování motoru při jízdě. Podrobně jsem popsal nejpoužívanější typy převodovek, které se vyskytují u osobních automobilů. Převodovky jsem rozdělil do čtyř typů, a to manuální převodovky, samočinné převodovky konvenční konstrukce, samočinné převodovky s plynule

měnitelným

převodovým

poměrem

a

dvouspojkové

převodovky.

V jednotlivých kapitolách jsem podrobně popsal jejich funkci a možnosti použití, doplněnými názornými detailní obrázky a hodnocením. V další části diplomové práce jsem se zaměřil na exaktní měření vlivu příslušné převodovky na parametry motoru při jízdě. Pro měření jsem měl k dispozici automobil značky Škoda Octavia s manuální převodovkou a Škoda Octavia s automaticky řazenou dvouspojkovou

převodovkou.

Měření

jsem

uskutečnil

na

závodní

dráze

Automotodromu Brno, která má vhodné parametry pro testování z důvodu velké variability členění zatáček s kombinací velkého převýšení. Při měření jsem tak měl zaručený nerušený průběh testů a tím neovlivněné naměřené výsledky. Měření bylo rozděleno do dvou druhů, měření ekonomické jízdy a měření zrychlení. Při měření ekonomické jízdy jsem zjišťoval spotřebu paliva, průběh otáček motoru a průběh točivého momentu pro posouzení a vyhodnocení automobilů. Automobil s manuální převodovkou měl při tomto měření nejnižší spotřebu paliva, která byla v porovnání s automobilem s dvouspojkovou převodovkou nižší o 11%. Při měření zrychlení jsem zjišťoval maximální zrychlení na rychlost 100 km/h a rychlost 140 km/h. Měřením bylo zjištěno, že automobil s dvouspojkovou převodovkou má lepší průběh akcelerace než automobil s manuální převodovkou. Výsledky měření a zhodnocení automobilů jsou uvedeny v příslušných kapitolách diplomové práce. K vypracování diplomové práce, jsem měl dostatek literatury v podobě knih a internetových článků, během jejich studování jsem se dověděl zajímavé informace i pro můj další odborný růst. Měření automobilů bylo pro mě zajímavé a získal jsem cenné zkušenosti, které bych chtěl do budoucna využít a uplatnit v mé budoucí praxi. Pevně doufám, že moje snažení nebylo marné a přinese užitek nejen mně, ale i budoucím studentům Mendelovy univerzity.

59

8

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

[1]

VLK, F., 2006, Převody motorových vozidel: Spojky, Převodovky, Rozvodovky, Diferenciály, Hnací hřídele, klouby. 1.vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2006. 371 s. ISBN 80-239-6463-1.

[2]

VLK, F., 2000, Dynamika motorových vozidel: Jízdní odpory, Hnací charakteristika, Brzdění, Odpružení, Řízení, Stabilita. 1.vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2000. 434 s. ISBN 80-238-5273-6.

[3]

SCHWARZ, J., 2010, Automobily Škoda Octavia II, 2.vyd. Praha: Nakladatelství Grada Publishing, a.s., 2010. 548 s. ISBN 978-80-247-2962-6.

[4]

BROŽ, J., TRNKA, L., 2007, Praktická dílna: Mechanické stupňové převodovky, Autoexpert, 16 s.

[5]

ŠTENGL, M., 2011, Samočinné převodovky - Svět planet. [online]. [cit. 2012-0413]. Dostupné na: http://www.automobilrevue.cz/rubriky/technika/samocinneprevodovky-svet-planet_40392.html.

[6]

ŠTENGL, M., 2011, Samočinné bezestupňové převodovky – Plynule a bez zubů. [online]. [cit. 2012-04-13]. Dostupné na: http://www.automobilrevue.cz/rubriky/technika/samocinne-bezestupnoveprevodovky-plynule-a-bez-zubu_40397.html.

[7]

LÁNÍK, O., 2004, Převodovka DSG: podrobný popis. [online]. [cit. 2012-04-13]. ISSN 1213-8991. Dostupné na: http://www.auto.cz/prevodovka-dsg-podrobnypopis-16887.

[8]

VAVERKA, L., 2008, Nová převodovka Audi S tronic: sedm stupňů a dvě spojky pro quattro. [online]. [cit. 2012-04-13]. ISSN 1213-8991. Dostupné na: http://www.auto.cz/nova-prevodovka-audi-s-tronic-sedm-stupnu-a-dve-spojkypro-quattro-8089.

[9]

SAJDL, J., 2011, Převodovka DSG. [online]. [cit. 2012-04-13]. ISSN 1804-2554. Dostupné na: http://cs.autolexicon.net/articles/prevodovka-dsg/.

[10] SAJDL, J., 2011, Multitronic. [online]. [cit. 2012-04-13]. ISSN 1804-2554. Dostupné na: http://cs.autolexicon.net/articles/multitronic/. [11] PARKER, M., Historie manuálních převodovek. [online]. [cit. 2012-04-13]. Dostupné na: http://www.ehow.com/about_5163365_history-manualtransmissions.html. [12] OLIVÍK, P., 2011, Převodovky CVT: nekonečně převodů. [online]. [cit. 2012-0413]. Dostupné na: http://www.autorevue.cz/prevodovky-cvt-nekonecne-prevodu.

60

9

SEZNAM OBRÁZKŮ

Obr. 1: Automobil Panhard & Levassor s první manuální převodovkou ....................... 11 Obr. 2: Automobil Roadmaster s první samočinnou převodovkou ................................ 12 Obr. 3: Provozní oblast spalovacího motoru .................................................................. 13 Obr. 4: Schéma změny hodnot převodovkou.................................................................. 14 Obr. 5: Momentový poměr v závislosti na otáčkovém poměru...................................... 14 Obr. 6: Změna momentové charakteristiky motoru převodovkou.................................. 15 Obr. 7: Změna výkonové charakteristiky motoru převodovkou..................................... 15 Obr. 8: Vozidlo s blokovým uspořádáním hnacího ústrojí............................................. 17 Obr. 9: Schéma dvouhřídelové pětistupňové převodovky.............................................. 18 Obr. 10: Vozidlo se standardním uspořádáním hnacího ústrojí...................................... 18 Obr. 11: Schéma tříhřídelové pětistupňové převodovky ................................................ 20 Obr. 12: Typy řazení zpětného rychlostního stupně ....................................................... 21 Obr. 13: Synchronizace s pružně omezenou přítlačnou silou......................................... 23 Obr. 14: Synchronizace se clonícím kroužkem .............................................................. 24 Obr. 15: Vnější synchronizace........................................................................................ 25 Obr. 16: Tyčové řazení ................................................................................................... 27 Obr. 17: Hřídelové otočné řazení.................................................................................... 27 Obr. 18: Lankové řazení ................................................................................................. 28 Obr. 19: Samočinná převodovka konvenční konstrukce ................................................ 30 Obr. 20: Rozložené schéma hydrodynamického měniče točivého momentu ................. 31 Obr. 21: Planetové soukolí.............................................................................................. 32 Obr. 22: Schéma lamelové brzdy.................................................................................... 32 Obr. 23: Typy volící páky u samočinných převodovek konvenční konstrukce.............. 33 Obr. 24: Samočinná převodovka s plynule měnitelným převodovým poměrem ........... 35 Obr. 25: Princip funkce variátoru ................................................................................... 36 Obr. 26: Volící páky u samočinných převodovek s plynule měnitelným převodovým poměrem ......................................................................................................................... 37 Obr. 27: Schéma přenosu točivého momentu ve dvouspojkové převodovce ................. 38 Obr. 28: Dvouspojková převodovka DSG při zařazeném 1° rychlostním stupni........... 39 Obr. 29: Dvouspojková převodovka DSG při zařazeném 2° rychlostním stupni........... 40 Obr. 30: Volící páka u dvouspojkové převodovky ......................................................... 41 Obr. 31: Výškový profil závodní dráhy .......................................................................... 43

61

Obr. 32: Půdorys závodní dráhy ..................................................................................... 43 Obr. 33: Škoda Octavia – 6-stup. manuální.................................................................... 44 Obr. 34: Škoda Octavia Combi – 6-stup. DSG............................................................... 45 Obr. 35: Schéma zapojení měření s PC .......................................................................... 46 Obr. 36: Vynesení rychlosti automobilu a otáčky motoru na závodní dráze.................. 47 Obr. 37: Půdorys závodní dráhy s vyznačenými rychlostmi při měření......................... 47 Obr. 38: Měřené automobily Škoda Octavia .................................................................. 58

10

SEZNAM GRAFŮ

Graf 1: Průměrná rychlost měřených vozidel ................................................................. 48 Graf 2: Průběh rychlosti měřených vozidel .................................................................... 48 Graf 3: Průběh otáček motoru měřených vozidel ........................................................... 49 Graf 4: Průběh točivého momentu motoru ..................................................................... 50 Graf 5: Průběh hodinové spotřeby paliva měřených vozidel.......................................... 51 Graf 6: Průměrná spotřeba paliva (l/100km) měřených vozidel..................................... 51 Graf 7: Průběh zrychlení automobilu s manuální převodovkou ..................................... 52 Graf 8: Průběh zrychlení automobilu s automatickou převodovkou DSG režim D ....... 53 Graf 9: Průběh zrychlení automobilu s automatickou převodovkou DSG režim S........ 53 Graf 10: Průběhy zrychlení automobilů.......................................................................... 54 Graf 11: Průběhy otáček motoru při zrychlení automobilu ............................................ 54

62