MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2009
PETR RÁČEK
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Vozidlové převodovky Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc.
Petr Ráček
Brno 2009
2
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Vozidlové převodovky“
vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury.
Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne………………………………… podpis studenta …………………..
3
Poděkování Děkuji panu doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za vedení a cenné připomínky během zpracování bakalářské práce.
4
ABSTRAKT Z velice obsáhlé oblasti vozidlových převodovek jsem se ve své práci zaměřil na popis převodovek osobních automobilů. V úvodní části popisuji obecnou teorii důvodu použití a účelu převodovek včetně matematických vzorců pro výpočet převodových poměrů obecných převodů i planetových soukolí, které se používají u automatických převodovek. Následuje stručné rozdělení převodovek podle základních konstrukčních hledisek a popis typů převodovek užitých u osobních, nákladních a jednostopých vozidel. V koncepcích pohonu je u jednotlivých typů znázorněn způsob umístění převodovek v hnacím ústrojí vozidla. Dále u vybraných osobních automobilů popisuji typické
zastánce
manuálních,
automatických
stupňových
a
automatických
bezestupňových převodovek. A kapitola „Sestrojení pilového diagramu“ ukazuje aplikaci matematických vzorců pro výpočet základních parametrů převodovky (celkových převodových poměrů a pojezdových rychlostí při stanovených otáčkách motoru) a následně
sestrojený graf, ze kterého lze vyčíst rozvržení odstupňování
mechanické šestistupňové převodovky. Klíčová slova: převodový poměr, točivý moment, hřídel, ozubené kolo
ABSTRACT I choosed to describe an automobile transmissions from the comprehensive group of vehicles transmissions in my bachelor work. In introductory part I describe universal theory of transmission use and using reason with mathematical folmulas for calculation general and planet gear ratios of transmission, which are used in automatic transmissions. In following part is a brief distribution of transmissions by basic construction standpoints and description of transmission types used in personal automobiles, cargo trucks and one-track vehicles. In conceptions of drivelines are shown ways of transmission position in vehicle´s drivelines. I describe a typical proponents of manual, stepped automatic and continuous transmissions by chosen personal automobiles. And chapter „Construction of Shift digram“ shows application of mathematical formulas for calculation of basic transmission´s parameters (total ratios of transmission and velocities by appointed engine revolutions) and follow-up constructed graph, in which is visible a rating of mechanical sixspeed transmission.
Key words: ratio of transmission, torque, shaft, toothed wheel 5
Obsah: 1
ÚVOD....................................................................................................................... 7
2
CÍL PRÁCE .............................................................................................................. 8
3
DŮVOD POUŽITÍ A ÚČEL PŘEVODOVEK ........................................................ 8
3.1 Důvod použití převodovky ............................................................................... 8 3.2 Účel převodovek ............................................................................................... 9 3.2.1 Přenos a změna velikosti točivého momentu motoru ............................. 10 3.2.2 Výpočet převodového poměru............................................................... 10 3.2.3 Změna otáček výstupní hřídele převodovky........................................... 12 3.2.4 Změna smyslu otáčení hnacích kol vozidla ( zpětný chod vozidla ) ...... 13 3.2.5 Možnost běhu naprázdno (volnoběh motoru) u stojícího vozidla .......... 13 4 ROZDĚLENÍ VOZIDLOVÝCH PŘEVODOVEK................................................ 13 4.1 Podle způsobu přenosu výkonu ...................................................................... 13 4.2 Podle změny převodového poměru................................................................. 13 4.3 Podle způsobu řazení převodových stupňů..................................................... 14 5 SOUČASNÝ STAV KONSTRUKCE PŘEVODOVEK ....................................... 14 5.1 Osobní automobily.......................................................................................... 14 5.1.1 Manuální převodovky ............................................................................. 14 5.1.2 Poloautomatické převodovky ................................................................. 14 5.1.3 Automatické převodovky........................................................................ 15 5.2 Nákladní vozidla ............................................................................................. 15 5.3 Jednostopá vozidla.......................................................................................... 16 5.3.1 Sekvenční převodovky............................................................................ 16 5.3.2 Variátorové převodovky ......................................................................... 16 6 KONCEPCE POHONU (UMÍSTĚNÍ PŘEVODOVEK VE VOZE)..................... 16 6.1 Standardní (klasická) ...................................................................................... 17 6.2 Zadní pohon .................................................................................................... 17 6.3 Přední pohon ................................................................................................... 18 6.4 Pohon všech kol .............................................................................................. 19 6.5 Transaxle......................................................................................................... 19 7 POPIS KONSTRUKCE ZÁKLADNÍCH TYPŮ PŘEVODOVEK....................... 20 7.1 Manuální přímo řazená šestistupňová převodovka ZF ................................... 20 7.2 Dvouspojková převodovka DSG .................................................................... 22 7.3 Plynulá bezestupňová převodovka Multitronic .............................................. 25 7.4 Automatická sedmistupňová převodovka MB 7G –Tronic ............................ 28 8 SESTROJENÍ PILOVÉHO DIAGRAMU ............................................................. 30 8.1 Šestistupňová automobilní převodovka Getrag .............................................. 30 8.1.1 Výpočet celkového převodu a pojezdové rychlosti pro jednotlivé RS... 31 8.1.2 Závěr ....................................................................................................... 33 9 CELKOVÉ ZHODNOCENÍ................................................................................... 34 10
POUŽITÁ LITERATURA ..................................................................................... 35
6
1
ÚVOD Téma „Vozidlové převodovky“ je jako takové velice obsáhlé, protože převodovky
jsou užity ve všech typech dopravní a manipulační techniky (osobní, nákladní, stavební železniční, lodní aj.) v kombinaci s pístovými spalovacími motory a na každý z těchto prostředků jsou v praxi kladeny jiné nároky a požadavky a s ohledem na tento fakt jsou převodovky více či méně odlišně konstruované a dimenzované.
Převodovky jsou součástí převodového ústrojí vozidel, do kterého se řadí všechna ústrojí spojující spalovací motor s koly hnacích náprav a různými vedlejšími pohony. Převodové ústrojí tvoří spolu se spalovacím motorem ústrojí hnací.
V celé historii automobilové dopravy, kde se užívají vozidlové převodovky, procházejí převodovky právě za poslední dvě až tři desetiletí jejich největším a nejrychlejším vývojem. Výrobci neustále investují do výzkumu a vývoje nemalé finanční prostředky ve snaze vyvinout nová, lepší a účinnější konstrukční řešení. U vozů sportovních značek jsou tato inovační řešení téměř vždy testována továrními týmy v nejnáročnějších podmínkách automobilových závodů, kde je zřejmá snaha o co nejkratší dobu přeřazení rychlostního stupně a tím pádem zlepšování jízdních výkonů. Naopak u ostatní produkce se vývoj ubírá směrem ke zvyšování komfortu a snižování podílu aktivní účasti řidiče při samotném řazení. Dalším důvodem je také snaha být o něco napřed před konkurencí a mít nová a zajímavá řešení, která mohou nalákat nové potenciální klienty, protože každá taková „novinka“ je dobrým nástrojem při marketingové propagaci.
Převodovky jsou často konstruovány pro použití s různými motory odlišných výkonových parametrů a proto je zásadní veličinou pro konstrukci hodnota maximálního přenesitelného točivého momentu od spalovacího motoru dále do převodového ústrojí vozidla. To spolu se snahou o zvyšování sériové produkce přináší snižování výrobních nákladů a koncové ceny vozidel, z čehož samozřejmě profituje koncový zákazník.
7
2
CÍL PRÁCE •
Zpracování současného stavu v oblasti konstrukce vozidlových převodovek
•
Popis konstrukčních řešení základních typů převodovek pro vybranou skupinu vozidel
3 3.1
•
Rozbor funkce a stanovení základních parametrů pro vybraná převodová ústrojí
•
Celkové zhodnocení řešeného problému
DŮVOD POUŽITÍ A ÚČEL PŘEVODOVEK Důvod použití převodovky
Pokud by spalovací motor měl tzv. ideální otáčkovou charakteristiku, vozidlo by nepotřebovalo převodovku. Pro točivý moment při konstantním výkonu Pe =konst. platí
MT =
Pe
[Nm]
ω
což je rovnice hyperboly. To znamená, že průběh točivého momentu by musel být hyperbolický, jak je uvedeno na obr 1.
Obr. 1 Ideální otáčková charakteristika spalovacího motoru
8
Protože je hnací síla motoru na hnacích kolech vozidla:
Fhm =
kde:
M T × ic × η m rd
[N]
MT
točivý moment motoru
[Nm]
ic
celkový převodový poměr
[–]
rd
dynamický poloměr
[m]
ηm
mechanická účinnost
[–]
přímo úměrná točivému momentu, byl by také ideální průběh výkonu motoru hyperbolický, viz. obr. 2. Točivý moment skutečného motoru se od ideálního odlišuje. Proto musí být pro lepší využití výkonu motoru v celém rozsahu požadovaných rychlostí vozidlo opatřeno převodovkou. [1]
Obr. 2 Ideální průběh hnacího výkonu spalovacího motoru
3.2
Účel převodovek •
Přenos a změna velikosti točivého momentu motoru
•
Změna otáček výstupní hřídele převodovky
•
Změna smyslu otáčení hnacích kol vozidla (zpětný chod vozidla)
•
Možnost běhu naprázdno (volnoběh motoru) u stojícího vozidla
9
3.2.1
Přenos a změna velikosti točivého momentu motoru
Pístové spalovací motory pracují v určitém rozsahu otáček, tj. mezi otáčkami minimálními
(nmmin) a otáčkami maximálními
(nmmax), kde generují určitý
nekonstantní točivý moment. Velikost tohoto momentu převodovka mění tak, aby měl motor vozidla dostatečný výkon a vozidlo se mohlo pohybovat za rozličných jízdních podmínek (např. zrychlení, rozjezd nebo jízda do svahu). Při těchto režimech jízdy je třeba přivést na kola větší točivý moment než při jízdě po rovině. Pro překonání jízdních odporů (tíhová složka vozidla při jízdě do svahu, odpor vzduchu a odpor valení) by točivý moment motoru (vstupující do převodovky) nestačil, proto musí být převodovkou zvětšen (nízký rychlostní stupeň, i > 1, např. 3,5 „do pomala“). Naopak převodu ( i < 1, např. 0,8 „do rychla“) se používá u osobních automobilů jako nejvyšší rychlostní stupeň pro dosažení maximální rychlosti.
3.2.2
Výpočet převodového poměru
Obecný převodový poměr Převodový poměr mění velikost přenášeného točivého momentu.
i=
Z 2 n1 D2 = = Z1 n2 D1
kde:
[–]
Z1 počet zubů hnacího kola
[–]
Z 2 počet zubů hnaného kola
[–]
n1 otáčky hnacího kola (hřídele)
[s −1 ]
n2 otáčky hnaného kola (hřídele)
[s −1 ]
D1 průměr hnacího kola
[mm]
D2 průměr hnaného kola
[mm]
10
Převodový poměr planetové převodovky Výpočet je závislý na samotném uspořádání planetové převodovky.
Obecný převodový poměr
i=
kde:
M nvst = výst nvýst M vst
[–]
nvst
otáčky vstupní hřídele
[s −1 ]
nvýst
otáčky výstupní hřídele
[s −1 ]
Mvýst
výstupní točivý moment
[Nm]
Mvst
vstupní točivý moment
[Nm]
Při výpočtech se setkáme s následujícími možnými uspořádáními:
U – unašeč satelitů K – korunové kolo C – centrální kolo
Obr. 3 Planetové převodovka
a) Korunové kolo stojí, točivý moment je přiveden na centrální kolo i=
nC M U r = = 1+ K nU M C rC
[–]
b) Unašeč satelitů stojí, točivý moment je přiveden na centrální kolo i=
nC M K r = =− K nK M C rC
[–]
11
c) Centrální kolo stojí, točivý moment je přiveden na unašeč satelitů
i=
nU M K 1 = = nK M U 1 + rC rK
kde:
[–]
nC
otáčky centrálního kola
[s −1 ]
nK
otáčky korunového kola
[s −1 ]
nU
otáčky unašeče satelitů
[s −1 ]
MC
točivý moment na centrálním kole
[Nm]
MK
točivý moment na korunovém kole
[Nm]
MU
točivý moment na unašeči satelitů
[Nm]
rC
poloměr centrálního kola
[m]
rK
poloměr korunového kola
[m]
Je-li za sebou umístěno více planetových převodů, je jejich celkový převodový poměr součinem poměrů jednotlivých planetových převodů.
3.2.3
Změna otáček výstupní hřídele převodovky
Pro jízdu nízkou rychlostí jsou třeba nízké otáčky hnacích kol a naopak pro jízdu vysokou rychlostí jsou třeba vysoké otáčky hnacích kol. Otáčky motoru se musí vždy nacházet v pracovním rozsahu, z toho důvodu musí být otáčky motoru měněny převodovkou tak, aby otáčky kol hnacích umožnily požadovanou rychlost vozidla. Velkým převodem se získají nízké otáčky hnacích kol a tím malá rychlost vozidla. Naopak malým převodem získáme vysoké otáčky hnacích kol a dostaneme vysokou rychlost vozidla. Většina osobních automobilů má převodovku vybavenou tzv. „rychloběhem“, který zajistí motoru nízké otáčky a snížení spotřeby paliva např. při jízdě po dálnici.
12
3.2.4
Změna smyslu otáčení hnacích kol vozidla ( zpětný chod vozidla )
Pro zajištění možnosti couvání je většina motorových vozidel opatřena zařízením umožňujícím změnu smyslu otáčení hnacích kol ( tj. zpětným rychlostním stupněm). Např. u mechanických přímo řazených převodovek bývá zpětný chod zajištěn vloženým kolem s přímým čelním ozubením, které se řadí bez synchronizace při stojícím vozidle mezi pár ozubených kol převodovky a tím se zajistí změna smyslu otáčení hnaného hřídele převodovky distribuující točivý moment na hnací kola vozidla.
3.2.5
Možnost běhu naprázdno (volnoběh motoru) u stojícího vozidla
Běh motoru ve volnoběžných otáčkách je umožněn přerušením přenosu točivého momentu, v převodovce je zařazen tzv. „ neutrál “.
4
ROZDĚLENÍ VOZIDLOVÝCH PŘEVODOVEK Rozdělení konstrukčních provedení převodovek podle základních hledisek.
4.1
Podle způsobu přenosu výkonu a ) mechanické • s čelními ozubenými koly • s planetovým soukolím b ) hydraulické ( hydrodynamické, hydrostatické ) c ) kombinované ( diferenciální hydrostatické ) d ) elektrické
4.2
Podle změny převodového poměru a ) se stupňovitou změnou převodového poměru b ) s plynulou změnou převodového poměru
13
4.3
Podle způsobu řazení převodových stupňů a ) s manuálním řazením • se synchronizací • bez synchronizace b ) s poloautomatickým řazením c ) s automatickým řazením
5
SOUČASNÝ STAV KONSTRUKCE PŘEVODOVEK
5.1 Osobní automobily 5.1.1
Manuální převodovky
Tato skupina převodovek je v současné době nejpoužívanější u osobních vozidel střední a nižší střední třídy, kde se klade důraz na snižování výrobních nákladů a koncové ceny vozidla. Přenášené točivé momenty se pohybují v rozmezí 100-600 Nm. Mezi hlavní výhody patří, kromě nízkých výrobních nákladů, jejich vysoká účinnost (až 0,97), nízká hmotnost, velký rozsah převodových poměrů, nezávislá volba rychlostních stupňů a rozměrová kompaktnost. Naopak hlavní nevýhodou je přerušení toku točivého momentu při řazení a nutnost aktivní účasti řidiče při řazení a tím vyplývající zmenšení jízdního pohodlí. Konstrukce převodovek je dvou či tříhřídelová.
5.1.2
Poloautomatické převodovky
Základní konstrukční uspořádání poloautomatických převodovek je stejné jako u dvou či tříhřídelových manuálně řazených převodovek. Rozdíl mezi nimi je ve způsobu ovládání spojky. Ten je řešen elektrohydraulicky nebo elektropneumaticky. To znamená, že již není potřeba aktivní účasti řidiče na ovládání spojky při rozjíždění nebo
řazení a vozidlo má pouze dvoupedálovou ovládací soustavu ( akcelerátor a brzdový pedál). Převodové stupně řidič opět volí řadící pákou.
14
5.1.3
Automatické převodovky
Automatické převodovky představují stále více zastoupenou skupinu převodovek u osobních vozidel. U vozů vyšší třídy a luxusních vozidel tvoří kolem 90% produkce a u vozů nižších tříd jsou téměř u všech modelů nabízeny jako alternativní převodové ústrojí k převodovkám manuálním. Jsou konstruovány jako stupňové (planetové soukolí s hydrodynamickým měničem či dvouspojkové uspořádání) nebo jako plynulé bezestupňové se dvěma páry kuželových soukolí. U planetových převodů se rychlostní stupně řadí za pomoci vícelamelových spojek a brzd a nedochází ke přerušení přenosu točivého momentu od motoru, což je výhodné oproti manuálním převodovkám a jsou schopny přenášet točivý moment až 1100 Nm. Plynulé převodovky poskytují výhodu v tom, že motor pracuje v optimálních otáčkách při každé pojezdové rychlosti díky plynule měnitelnému převodovému poměru. U osobních vozidel jsou konstruovány na maximální točivý moment až 400 Nm.
5.2 Nákladní vozidla Pro nákladní vozidla se používá řada konstrukčních velikostí přizpůsobených výkonu motoru a podle účelu vozidla rozdílné počty převodů 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18. Tzv. jednoskupinové převodovky mají 4 až 7 rychlostních stupňů. Pro větší počet
rychlostních
stupňů
se
používají
dvouskupinové
nebo
třískupinové
převodovky.[2] U dvouskupinových převodovek je před základní jednoskupinovou převodovku vložena tzv. předřazená dělící redukce, která zdvojnásobuje počet rychlostních stupňů základní
převodovky.
A
u
třískupinových
převodovek
se
za
převodovku
dvouskupinovou umisťuje planetové soukolí, které ještě dále zdvojnásobuje počet rychlostních stupňů (např. 2 x 4 x 2 tj. celkem 16 rychlostních stupňů). U současných nejvýkonnějších nákladních vozidel jsou převodovky schopny přenášet točivé momenty až 3200 Nm.
15
5.3 Jednostopá vozidla 5.3.1
Sekvenční převodovky
Konstrukce je obdobná jako u dvouhřídelové manuální převodovky, u které jsou
řadící vidlice posouvány po svých osách pomocí řadících táhel. Sekvenční převodovka se od ní liší právě způsobem řazení, kde pohyb řadících vidlic obstarává řadící válec. Ten má v sobě vyfrézované zakřivené drážky, ve kterých jsou uchyceny řadící vidlice. Pootočením válce do úhlu odpovídajícímu vybranému rychlostnímu stupni dojde zároveň k natočení vodící drážky a vlivem jejího zakřivení i k posunu řadící vidlice po své ose a zařazení vybraného rychlostního stupně. Přenášené točivé momenty u dnešních motocyklů dosahují hodnot až 200 Nm.
5.3.2
Variátorové převodovky
Použití především u skútrů všech objemových kategorií v kombinaci s odstředivou rozjezdovou spojkou. Konstrukční základ variátoru tvoří dva páry kuželových řemenic, které jsou spojeny pryžovým řemenem, jehož prostřednictvím se přenáší točivý moment. Vzájemným oddalováním, resp. přibližováním řemenic se plynule mění převodový poměr.
6
KONCEPCE POHONU (UMÍSTĚNÍ PŘEVODOVEK VE VOZE) Pro konstrukci vozidlových převodovek je výchozí koncepce samotného vozidla, ve
kterém má být použita. Je to z důvodu rozdílných požadavků a možností s ohledem na zástavbu do vozidla. Rozeznáváme především následující koncepce:
•
Standardní (klasická)
•
Zadní pohon
•
Přední pohon
•
Pohon všech kol
•
Transaxle
16
6.1
Standardní (klasická) Klasická koncepce je nejdéle používanou koncepcí pohonu osobních automobilů. U
této varianty pohonu je motor se spojkou a převodovkou umístěn vpředu podélně nad nápravou.
Na
převodovku
navazuje
spojovací
kloubový hřídel,
rozvodovka
s diferenciálem a hnací hřídele kol. Příkladem této koncepce může být BMW 650i Coupe (Obr. 4).
Obr. 4 Klasická koncepce u vozu BMW 650i Coupe
6.2 Zadní pohon U této koncepce je převodovka umístěna spolu se spojkou a motorem nad zadní nápravou. Součástí převodovky je rozvodovka s diferenciálem spojená s hnacími koly pomocí hnacích hřídelí. Umístění převodovky s motorem může být příčné i podélné. Na následujícím obrázku obr. 5 je zobrazeno podélné uložení nad zadní nápravou.
17
Obr. 5 Zadní pohon u vozu Porsche 911
6.3
Přední pohon Převodovka s ostatními komponenty mají shodné uspořádaná jako u předchozí
koncepce, jen je umístěna nad přední nápravou. Taktéž uložení může být příčné či podélné. V dnešní době nejčastěji používaná koncepce. Znázorněna je na obr. 6.
Obr. 6 Schéma vozu s předním pohonem
18
6.4 Pohon všech kol Jedná se o kombinaci předního pohonu a standardní koncepce. Převodovka s rozvodovkou, spojkou a motorem jsou umístěny na přední hnané nápravě, zadní náprava s rozvodovkou je poháněna kardanovou spojovací hřídelí. Součástí převodovky je i mezinápravový diferenciál, který redukuje rozdíly otáček mezi nápravami. Příkladem této koncepce je automobil BMW X5 na obr. 7.
Obr. 7 Pohon všech kol u vozu BMW X5
6.5
Transaxle Tato koncepce je variantou standardní koncepce. Liší se umístěním převodovky,
která se nachází až u zadní hnací nápravy a je spojena s rozvodovkou a diferenciálem, Motor je uložen nad přední nápravou, spojka může být umístěna u motoru nebo u převodovky. Uspořádání viz obr. 8.
19
Obr. 8 Systém pohonu Transaxle
7
POPIS KONSTRUKCE ZÁKLADNÍCH TYPŮ PŘEVODOVEK
7.1 Manuální přímo řazená šestistupňová převodovka ZF Tato převodovka patří do skupiny převodovek mechanických s čelními ozubenými koly, se stupňovitou změnou převodového poměru a manuálním způsobem řazení se synchronizací otáček při řazení. Převodovka je používána u klasické koncepce s pohonem zadní nápravy. Hnací (vstupní) a hnaná (výstupní) hřídel leží v jedné ose. Přední konec hnané hřídele je uložen v hřídeli hnací. Rovnoběžně s těmito hřídelemi je uložena předlohová hřídel. Soukolí ozubených kol konce hnací hřídele a začátku předlohové hřídele tvoří tzv. stálý převod, který je neměnný a je dán počtem zubů soukolí. Převod jednotlivých rychlostních stupňů je kromě přímého záběru (i=1 pro 4.RS) tvořen vždy dvěma páry ozubených kol (soukolím stálého záběru a soukolím jednotlivých rychlostních stupňů. Při zařazení přímého záběru se spojí hnací a hnaný hřídel. Hnací kola 1., 2. 3. rychlostního stupně jsou na předlohové hřídeli uložena pevně, pro 5. a 6. rychlostní stupeň jsou uložena volně otočně. Naopak na hnané (výstupní) hřídeli jsou hnaná kola pro 1., 2. a 3 rychlostní stupeň uložena volně otočně a pro 5. a 6. rychlostní stupeň pevně. K zařazení konkrétního rychlostního stupně dojde při vzniku pevného spojení volně se otáčejícího kola s hřídeli pomocí synchronizační řadící spojky. Schéma
20
přenosu točivého momentu přes jednotlivé rychlostní stupně je znázorněné na následujícím obr. 9 společně s řezem převodovky.
Obr. 9 Řez převodovkou včetně přenosu točivého momentu přes jednotlivé RS
21
7.2 Dvouspojková převodovka DSG Představuje další stupeň vývoje automatických převodovek. Převodovku DSG (Direct Shift Gearbox) vyvinula společnost Volkswagen ve spolupráci s Borg-Warner pro nasazení u automobilů svých koncernových značek VW, Audi, Škoda a Seat, resp. pro modely s příčně uloženým motorem nad přední nápravou. Představena byla v prosinci roku 2002. Převodová skříň má šest rychlostních stupňů a je schopna přenášet točivý moment o velikosti max. 350 Nm. Převodovka vychází z tříhřídelové koncepce manuálně řazených šestistupňových převodovek koncernu Volkswagen. Zjednodušeně řečeno se jedná o dvě paralelně
řazené převodovky v jednom celku se dvěma vstupními a výstupními hřídeli (viz obr.11). Vstupní hřídele jsou z důvodu prostorové úspornosti vsazeny do sebe. Zásadní roli v konstrukci představuje dvojitá lamelová spojka (viz. obr. č. 10), která je podobně uspořádaná. Spojka je vícekotoučová, elektrohydraulicky ovládaná a pracuje v olejové lázni, která zajišťuje její mazání a chlazení.
Obr. 10 Dvojitá spojka převodovky DSG
22
Na obr. 11 je vidět, že spojka číslo 1, spojená s centrální hřídelí má větší průměr a přenáší točivý moment při zařazených převodových stupních 1, 3, 5 a zpětném chodu. Spojka číslo 2 s menším průměrem otáčí s dutou hnací hřídelí, v níž je uložena centrální hřídel spojky 1, a přenáší točivý moment přes převodové stupně 2, 4 a 6.
Obr. 11 Uspořádání převodovky DSG
Na obr. 12 je znázorněn přenos točivého momentu přes rychlostní stupně 1-6 a na obr. 13 prostřednictvím zpětného chodu.
23
Obr. 12 Řazení dopředných rychlostních stupňů 24
Obr. 13 Zařazený zpětný chod
7.3
Plynulá bezestupňová převodovka Multitronic Převodovka Multitronic používaná ve vozech značky Audi s podélně uloženým
motorem (viz. obr. 16) patří do skupiny převodovek obecně nazývaných zkratkou CVT (Continuously Variable Transmission) pracujících na principu plynulé změny převodu, kde lze dosáhnout teoreticky nekonečného počtu převodových poměrů. Konkrétně u převodovky Multitronic se jedná o rozsah převodových poměrů 2,1 – 12,7. Ale jako jediná z nich se vyznačuje absencí hydrodynamického měniče a náhradou pružného
členu variátoru (pryžového řemene či ohebného pásu z jemných kovových článků) řetězem. Hlavní součástí převodovky je variátor se dvěma páry kuželových kotoučů (viz. obr. 14), jejichž vzájemným oddalováním, resp. přibližováním se plynule mění převodový poměr.
25
Obr. 14 Kuželové kotouče převodovky Multitronic
Točivý moment se mezi kotouči přenáší prostřednictvím ocelového článkového
řetězu (viz. obr. 15), který byl speciálně vyvinut pro tuto převodovku. Řetěz je při chodu zatížen v tahu silou až 17 kN a jeho čepy, na obou koncích zkosené, jsou přitlačovány na kuželové kotouče silou přesahující hodnotu 65 kN.
Obr. 15 Ocelový článkový řetěz
26
Jednotlivé dvojice posuvných kuželových kotoučů jsou ovládány dvěma písty oddělených okruhů hydraulické soustavy, zásobované jediným mechanicky poháněným
čerpadlem, což zvyšuje účinnost převodovky. Menší píst nízkotlaké větve pouze přesouvá kotouč, čímž se mění jeho účinný poloměr a větší píst ve vysokotlaké větvi vyvozuje potřebný přítlak mezi kotouči a řetězem v závislosti na velikosti přenášeného točivého momentu. Hydraulické okruhy obou párů kotoučů jsou vzájemně propojeny přes čerpadlo a regulační ventily, takže jimi protéká malé množství oleje a čerpadlo jen vyrovnává rozdíly tlaků. Elektronická jednotka řídí jednotlivé regulační ventily hydraulické soustavy a jejich prostřednictvím mění převod v závislosti na změnách dynamiky jízdy signalizovaných
čidly otáček motoru, polohy škrtící klapky a otáček kol ze snímačů systému ABS. Existuje možnost řazení šesti naprogramovaných virtuálních převodových stupňů, které může řidič řadit voličem převodovky.
Obr. 16 Uspořádání a schéma řemenic převodovky Multitronic ve vozidle
27
7.4
Automatická sedmistupňová převodovka MB 7G –Tronic Na rozdíl od předešlé plynulé převodovky Audi Multitronic je typ 7G –Tronic
koncipován jako klasická samočinná stupňová převodovka s planetovým soukolím a integrovaným hydrodynamickým měničem. Je již pátou generací samočinných převodovek vyvinutých a vyráběných společností Mercedes-Benz a její podíl se ve vozech značky neustále zvyšuje. Převodovka je vyráběna ve dvou typech interně označovaných W7A400 a W7A700 podle maxima přenositelného točivého momentu 400, resp. 700 Nm. Konstrukce vychází z klasické pětistupňové skříně předchozí generace, u níž ale byla dvě jednoduchá planetová soukolí doplněna o tzv. Ravigneauxovo soukolí (viz. obr. 17) se dvěma rozdílnými planetovými soukolími a centrálními koly planetové převodovky v jediném planetovém věnci. Díky němu je sedmistupňová převodovka jen o 41 mm delší než předchozí pětistupňová. Kromě sedmi převodových stupňů vpřed existuje teoretická možnost řazení tří zpětných chodů, ovšem využity jsou dva z nich. Převodovka disponuje převodovými poměry o velikostech 4,377 – 2,859 – 1,921 – 1,368 – 1,000 – 0,820 – 0,728 – R 3,416/2,231 a rozpětí převodů činí 6,01. Na obr. 18 je znázorněno a popsáno základní konstrukční uspořádání.
Obr. 17 Planetové soukolí Ravigneaux
28
Obr. 18 Řez převodovkou MB 7G – Tronic
Popis: 1 - vstupní hřídel 2 - přemosťovací spojka hydrodynamického měniče s řízeným prokluzem 3 - olejové čerpadlo řídící hydraulický přívodní tlak 4 - řadící členy s lamelovými spojkami a soukolí planetových převodovek 5 - výstupní hřídel převodovky 6 - parkovací uzávěrka 7 - připojení pro mechanické spojení s volící pákou převodovky 8 - řídící a ovládací jednotka s magnetickými ventily, elektronickou jednotkou a
čidly, integrovaná do olejové vany 9 - řídící elektronická jednotka řazení 10 - magnetické ventily, ovládající řadící členy 11 - hydrodynamický měnič točivého momentu
29
8
SESTROJENÍ PILOVÉHO DIAGRAMU Pilový diagram udává rozvržení převodových stupňů . Je v něm znázorněna
závislost otáček motoru na pojezdové rychlosti vozidla při všech převodových stupních.
8.1 Šestistupňová automobilní převodovka Getrag
Obr. 19 Funkční schéma šestistupňové mechanické převodovky Getrag Jedná se o dvouhřídelovou přímo řazenou plně synchronizovanou (vč. zpětného chodu) manuální převodovku. Řazení jednotlivých rychlostních stupňů probíhá dle vyznačeného schématu na obr. 19.
Tab. 1 Počty zubů ozubených kol převodovky Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 45
71
44
79
67
63
55
70
77
44
114
33
120
20
18
80
Jmenovité otáčky motoru: stanovené otáčky, při kterých se počítají základní parametry. [min-1]
nm = 4500 Dynamický poloměr kola: proměnlivá veličina
a pro výpočet je nutno stanovit
konkrétní hodnotu. rd = 0,342
[m]
30
8.1.1
Výpočet celkového převodu a pojezdové rychlosti pro jednotlivé RS
Převodový poměr rozvodovky iroz . =
z16 = 4,444 z15
[–]
1. rychlostní stupeň
ic1 =
z11 * iroz. = 15,350 z12
[–]
v1 =
2 * π * rd * nm 2 * π * 0,342 * 4500 = = 10,5 15,350 * 60 ic1 * 60
[m·s −1 ]
2. rychlostní stupeň
ic 2 =
z9 * iroz . = 7,777 z10
[–]
v2 =
2 * π * rd * nm 2 * π * 0,342 * 4500 = = 20,723 ic 2 * 60 7,777 * 60
[m·s −1 ]
3. rychlostní stupeň
ic 3 =
z5 * iroz . = 4,720 z6
[–]
v3 =
2 * π * rd * nm 2 * π * 0,342 * 4500 = = 34,148 ic3 * 60 4,720 * 60
[m·s −1 ]
4. rychlostní stupeň
ic 4 =
z7 * iroz . = 3,489 z8
[–]
v4 =
2 * π * rd * nm 2 * π * 0,342 * 4500 = = 46,198 ic 4 * 60 3,489 * 60
[m·s −1 ]
5. rychlostní stupeň
ic 5 =
z1 * iroz . = 2,817 z2
[–]
31
2 * π * rd * nm 2 * π * 0,342 * 4500 = = 57,201 ic 5 * 60 2,817 * 60
v5 =
[m·s −1 ]
6. rychlostní stupeň
ic 6 =
z3 * iroz = 2,475 z4
[–]
v6 =
2 * π * rd * nm 2 * π * 0,342 * 4500 = = 65,109 ic 6 * 60 2,475 * 60
[m·s −1 ]
Zpětný rychlostní stupeň
iR =
z13 * iroz = −16,1518 z12
vR =
[–]
2 * π * rd * nm 2 * π * 0,342 * 4500 = = −9,974 i R * 60 − 16,158 * 60
[m·s −1 ]
Tab. 2 Převodové poměry a pojezdové rychlosti Převod
ic1 ic2 ic3 ic4 ic5 ic6 iR
Pojezdová
Pojezdová
rychlost
rychlost
[m·s −1 ]
[km·h −1 ]
15,350
10,500
37,798
4,444
7,777
20,723
74,603
1,062
4,444
4,720
34,148
122,934
0,785
4,444
3,489
46,198
166,313
0,634
4,444
2,817
57,201
205,924
0,557
4,444
2,475
65,109
234,391
3,636
4,444
16,158
9,974
35,906
Stálé
Celkový
převody
převod
3,454
4,444
1,75
Převodovka
32
otáčky motoru [min -1 ]
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
1. RS 2. RS 3. RS 4. RS 5. RS 6. RS Řadící otáčky
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
rychlost [m.s-1 ]
Obr. 20 Pilový diagram- Dopředné rychlostní stupně
5000 4500
-1
otáčky motoru [min ]
4000 3500 3000 R
2500 2000 1500 1000 500 0 -12
-10
-8
-6
-4
-2
0
-1
rychlost [m.s ]
Obr. 21 Pilový diagram - Zpětný chod 8.1.2 Závěr Z počtu zubů u jednotlivých soukolí převodovky byly vypočítány jednotlivé převodové poměry a z nich pomocí převodového poměru rozvodovky celkové převodové poměry pro jednotlivé rychlostní stupně. Pomocí celkového převodového poměru, otáček motoru a dynamického poloměru kola byly vypočítány příslušné pojezdové rychlosti. Ze sestrojeného pilového diagramu plyne, že převodovka je odstupňovaná kombinovaně podle aritmetické i geometrické řady.
33
9
CELKOVÉ ZHODNOCENÍ Oproti vzdálenější minulosti, kdy měly manuální přímo řazené a automatické
planetové převodovky osobních vozidel nižší počet převodových stupňů (obvykle 3 až 4) mají převodovky v dnešní době tento počet výrazně vyšší (až 8 RS u automatických planetových převodovek). V dnešní době, kdy existuje celosvětový trend v omezování spotřeby energie pocházející z fosilních paliv a snižování produkce emisí, je tento konstrukční postup zcela logický, protože čím větší počet převodových stupňů převodovka má, tím je lépe využitelný výkon spalovacího motoru, zvyšuje se účinnost a to se promítne na celkově nižší spotřebě paliva. Sekundárním efektem tohoto jevu je zmenšení „skoků“ při odstupňování převodovky a zvýšení komfortu jízdy ve vozidle. Z tohoto pohledu by se jevilo jako ideální používat ve vozidlech pouze plynulé bezestupňové převodovky (CVT) s teoreticky nekonečným počtem převodových stupňů mezi základním a maximálním převodem, u kterých lze dosáhnout ideálního odstupňování. Tento vývoj se ale nedá v nejbližší době očekávat, protože plynulé převodovky ještě čeká zcela jistě vývoj ve směru zvyšování velikosti přenesitelného točivého momentu, kde mají ještě znatelné rezervy v porovnání s automatickými planetovými převodovkami. V blízké budoucnosti očekávám u osobních automobilů se spalovacím motorem výrazně větší procentuální navýšení podílu užitých automatizovaných a plně automatických převodovek na úkor převodovek manuálně řazených, protože zákazníci začínají preferovat pohodlí při řízení, což platí dvojnásob při jízdě ve městě, před co nejnižší cenou vozidla. Tento trend je již delší dobu vidět v oblasti sportovních vozů, kde podle ortodoxních zastánců nemůže být o použití automatizovaných či automatických převodek ani řeč z důvodu snížení jezdeckých zážitků. Faktická prodejní
čísla ovšem hovoří jinak, protože např. plné dvě třetiny zákazníků, kteří si v loňském roce pořídili nové vozy značky Ferrari, požadovali mít ve svém voze automatizovanou převodovku s možností řazení tlačítky na volantu.
34
10 POUŽITÁ LITERATURA 1. BAUER, F. – SEDLÁK, P. Traktory. 1. vyd. Praha: Profi Press, 2006. 192 s. ISBN 80-86726-15-0. 2. VLK, F. Převodová ústrojí motorových vozidel : Spojky, Převodovky,
Rozvodovky, Diferenciály, Hnací hřídele, Klouby. 1. vyd. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., 2000. 312 s. ISBN 80-238-5275-2. 3. VLK, F. Převodová ústrojí motorových vozidel. 2. vyd. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., 2003. 312 s. ISBN 80-239-0025-0. 4. SEMETKO, J. Mobilné energetické prostriedky : (traktory a automobily 3). 2. vyd. Bratislava: Nakl. Príroda, 1986. 453 s. 5. VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel. 1. Vyd. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5. 6. JAN, Z. - ŽDÁNSKÝ, B. Automobily 2 : Převody. 2. vyd. Brno: Avid,2001, 129 s.
7. URLhttp://www.kaps.cz/automaticke.php?page=opravy_rozdeleni 10. 5. 2009 8. URLhttp:// www.ewrc.cz/ewrc/show.php? 12. 5. 2009 9. URLhttp:// www.automaticke-prevodovky.cz/news-2009.html 24. 4. 2009
Materiály VOLKSWAGEN Převodovka DSG
Materiály AUDI Převodovka Multitronic
Technický měsíčník Automobil revue, ročníky 2001, 2003, 2005
35
Seznam obrázků: Obr. 1 Ideální otáčková charakteristika spalovacího motoru .......................................... 8 Obr. 2 Ideální průběh hnacího výkonu spalovacího motoru ............................................ 9 Obr. 3 Planetové převodovka.......................................................................................... 11 Obr. 4 Klasická koncepce u vozu BMW 650i Coupe ...................................................... 17 Obr. 5 Zadní pohon u vozu Porsche 911 ........................................................................ 18 Obr. 6 Schéma vozu s předním pohonem ........................................................................ 18 Obr. 7 Pohon všech kol u vozu BMW X5 ........................................................................ 19 Obr. 8 Systém pohonu Transaxle .................................................................................... 20 Obr. 9 Řez převodovkou včetně přenosu točivého momentu přes jednotlivé RS ........... 21 Obr. 10 Dvojitá spojka převodovky DSG........................................................................ 22 Obr. 11 Uspořádání převodovky DSG ............................................................................ 23 Obr. 12 Řazení dopředných rychlostních stupňů ............................................................ 24 Obr. 13 Zařazený zpětný chod ........................................................................................ 25 Obr. 14 Kuželové kotouče převodovky Multitronic ........................................................ 26 Obr. 15 Ocelový článkový řetěz ...................................................................................... 26 Obr. 16 Uspořádání a schéma řemenic převodovky Multitronic ve vozidle ................... 27 Obr. 17 Planetové soukolí Ravigneaux ........................................................................... 28 Obr. 18 Řez převodovkou MB 7G – Tronic .................................................................... 29 Obr. 19 Funkční schéma šestistupňové mechanické převodovky Getrag ....................... 30 Obr. 20 Pilový diagram- Dopředné rychlostní stupně .................................................... 33 Obr. 21 Pilový diagram - Zpětný chod ........................................................................... 33
.
36
