AUTOMATYCZNA SKRZYNIA BIEGóW ZE SPRZĘGŁEM HYDROKINETYCZNYM – ZASADA DZIAŁANIA

Na wstępie muszę nadmienić, iż nie jestem żadnym specjalistą w dziedzinie automatycznych skrzyń biegów – po prostu wiem jak one działają, i chcę się tą wiedzą z Wami podzielić, szczególnie, że widać na forum poniekąd zapotrzebowanie na to.

W naszym kraju zwykło się mówić, że „automat” to niemal magiczne urządzenie, które jest strasznie skomplikowane w budowie, działaniu, awaryjne – a do tego mało kto umie to naprawić. Otóż – nie. Jest to mechaniczne urządzenie jak każde inne – może bardziej skomplikowane i precyzyjne w budowie, jednakże jego praca opiera się na prostej mechanice i kilku prawach fizyki.

Tekst ten nie będzie traktował o skrzyniach Mercedesowskich stricte, bynajmniej nie należy traktować go jako instrukcję obsługi do skrzyń 722.4xx… Co to to nie, chociaż gdzie mogę to wtrącę co i jak w naszych konstrukcjach. Opiszę ogólną zasadę działania, która odnosi się do praktycznie każdej automatycznej przekładni ( mam na myśli oczywiście klasyczne hydrauliczne konstrukcje, a nie nowoczesne wynalazki, gdzie każdy zawór ma swój komputer ).


1. SPRZĘGŁO W AUTOMACIE – KONWERTER HYDROKINETYCZNY ( TORQUE CONVERTER )

W skrzyni automatycznej funkcję sprzęgła pełni konwerter hydrokinetyczny. Wykonany jest z metalu, łączy on silnik ze skrzynią biegów – jest przykręcony do koła zamachowego silnika i nasunięty na wałek biorczy skrzyni biegów.

 

Składa się on z czterech podstawowych elementów:
- obudowy
- pompy ( nie mylić z pompą oleju wewnątrz skrzyni biegów! )
- statora
- turbiny

   

Jak działa konwerter hydrokinetyczny? Tak, jak jego nazwa wskazuje: przekazuje energię ( kineza ) poprzez ciecz ( hydro ). Gdy silnik pracuje, wirująca wraz z obudową pompa ustawionymi ukośnie łopatkami wprawia w ruch ciecz ( tu: olej ATF ) i napędza turbinę, która połączona jest z wałkiem biorczym skrzyni biegów. Znajdujący się pomiędzy nimi, zamontowany tak, by móc obracać się tylko w jednym kierunku stator wspomaga ten proces, dodatkowo ukierunkowując przepływ cieczy pomiędzy pompą, a turbiną. Koło pompy zamontowane jest tak, że zawsze napędza pompę oleju w skrzyni biegów ( stąd nazwa ), natomiast koło turbiny nie musi się obracać, jeśli siła hydrokinetyczna jest zbyt mała by „uciągnąć” cały układ – turbina przekazuje moment na pozostałe elementy skrzyni biegów. Przepływ cieczy zaobserwować można na poniższym diagramie:



Sprzęgło takie ma swoje wady i zalety. Do największych zalet zaliczyć można umiejętność poślizgu sprzęgła wynoszącą nawet 100% ( jako poślizg rozumiemy różnicę obrotów pomiędzy pompą, a turbiną ). Dlatego samochód nie gaśnie, pomimo iż jest na biegu i stoi zatrzymany – pompa obraca się swobodnie, podczas gdy turbina stoi nieruchomo ; innymi słowy: pół sprzęgła wiruje, a drugie pół stoi nieruchomo.

Ale to, co jest największą zaletą takiego sprzęgła jest także jego największą wadą – poślizg sprzęgła powoduje straty momentu obrotowego – podczas przyśpieszania i rozpędzania samochodu prędkość obrotowa silnika ( i co za tym idzie, koła pompy ) jest większa niż prędkość obrotowa turbiny ( i połączonego z nią wałka biorczego skrzyni biegów ). To jest powodem gorszego przyśpieszania oraz troszkę większego spalania aut z automatem.

Dodatkowa, niezaprzeczalna zaleta takiego sprzęgła to to, że w warunkach normalnej pracy jest praktycznie niezniszczalne.


2. Z CZEGO SŁADA SIĘ SKRZYNIA BIEGóW

Nie będę wnikał tu z czego dokładnie składa się skrzynia 722.4xx, omówię tylko najważniejsze jej elementy, biorące udział w pracy.


- POMPA OLEJU

W skrzyni biegów znajduje się pompa oleju, jest ona napędzana poprzez wałek ze sprzęgła hydrokinetycznego – pompa pracuje zawsze, nie ważne czy auto stoi czy jedzie – pompa pracuje zawsze wtedy, gdy silnik. Defekt pompy oleju unieruchamia całą skrzynię biegów, nie będzie ona w ogóle działała.

Główna pompa oleju to pierwszy element na który natkniemy się zaglądając od frontu do skrzyni biegów z wyjętym sprzęgłem. Składa się z dwóch głównych elementów - obudowy pompy ( zwanej statrem, tak jak stator w konwerterze ) oraz jej ruchomej części. W obudowie znajdują się kanały, którymi olej pod ciśnieniem przedostaje się do skrzyni, a ciśnienie wytwarza wirująca zębatka w niesymetrycznym układzie - działa podobnie jak centryfuga, czyli wirując wytwarza siłę odśrodkową i wyrzuca olej "na zewnątrz".

Nie każdy wie, że w skrzyni biegów 722.4xx znajduje się druga, mniejsza pompa oleju – w tym miejscu:




- SPRZĘGŁO ( CLUTCH )

Sprzęgła – tzw. mokre sprzęgła, sprzęgła cierne. Składają się one z elementów ciernych poprzekładanych elementami metalowymi. Ściśnięcie takiego zespołu ( uruchomienie sprzęgła ) powoduje zatrzymanie np. jarzma przekładni planetarnych. Sprzęgła te biorą bezpośredni udział w zmianie biegów. W związku z tym, że są to elementy cierne, mogą zużywać się, a w przypadku pracy w zaniedbanej skrzyni biegów – mogą uszkodzić się tak, by jazda stała się niemożliwa. Pierwszym efektem zużycia się tarczek takiego sprzęgła jest ciemna barwa oleju oraz zapach spalenizny, oraz odczucie „poślizgu sprzęgła” – podobnie jak w aucie ze spalonym sprzęgłem skrzyni manualnej, wzrost „bezużytecznych obrotów” przy przyśpieszaniu. Na szczęście, aby doprowadzić do takiego stanu trzeba albo jeździć ze zbyt małą ilością oleju, albo przegrzewać skrzynię biegów.

Tarczki są elementem wymienianym przy regeneracji skrzynki.

 

Na powyższych zdjęciach widać kilka tarczek metalowych poprzekładanych metalowymi. Jako ciekawostkę podam, że tego typu sprzęgła wykorzystuje się w motocyklach, maszynach ciężkich oraz np. tokarkach 
W skrzyniach biegów naszych samochodów znajdują się trzy takie sprzęgła: B3 – sprzęgło wstecznego biegu, K1 – sprzęgło bezpośrednie oraz sprzęgło K2.


- TAŚMA HAMULCOWA ( BRAKE BAND )

Każdy posiadać auta ze szwankującym automatem na pewno słyszał to określenie. A czym dokładnie jest taśma hamulcowa? Jest to pewien rodzaj hamulca bębnowego. Po zewnętrznej stronie bębna zamocowana jest taśma z elementu ciernego, której jeden „koniec” zmocowany jest do obudowy skrzyni biegów, a drugi do zaworu pełniącego rolę tłoczka. Gdy zawór wypełniany jest olejem, tłoczek rozszerza się i zaciska taśmę, powodując zatrzymanie się bębna.

 

Na powyższych obrazach widać bęben oraz taśmę hamulcowa.

Taśma, jako element cierny może zużyć się i zaprzestać pełnienia swojej funkcji. Zużyta taśma daje początkowe objawy takie jak sprzęgło cierne – zaciemnienie oleju, zapach spalenizny, oraz wrażenie „poślizgu sprzęgła” w samochodzie.

Taśmy są wymienne przy regeneracji.

W skrzyniach naszych autek znajdują się dwie taśmy: B1 oraz B2 umiejscowione odpowiednio z przodu, oraz z tyłu skrzyni biegów. Mechanizmy, które nimi sterują ( tzw. serwa ) dostępne są pod zaślepkami w poniższych miejscach:




- PRZEKŁADNIE PLANETARNE



To tajemnicze urządzenie stanowi serce skrzyni biegów i jest jednocześnie całą tajemnicą jej działania.
Aby zrozumieć jak działa automat, należy zrozumieć zasadę działania przekładni planetarnej. Przekładnia składa się z trzech głównych elementów:
- koła głównego ( słonecznego; sun-gear )
- kół obiegowych ( planetarnych, planetary gears ) połączonych jarzmem
- pierścienia zewnętrznego ( outer ring )
Nazwa przekładni i nazwy elementów odpowiadają dokładnie zasadzie działania. Wewnątrz przekładni znajduje się słońce, wokół którego krążą planety, a wokół wszystkiego krąży pierścień zewnętrzny.



Tego typu przekładnia może działać na trzy sposoby:
- obracające się słońce, a planety i pierścień zewnętrzny nieruchome
- obracające się słońce, planety wraz z jarzmem, a pierścień zewnętrzny nieruchomy
- obracające się słońce, planety raz z jarzmem, a pierścień zewnętrzny ruchomy
Działanie we wszystkich trzech „trybach” pracy pokaże poniższa animacja:

Przekładnia planetarna - YouTube

Jak widać, w poszczególnych trybach pracy poszczególne elementy kręcą się z różnymi prędkościami. A co będzie, jak obok dołożymy drugą przekładnią planetarną i połączymy je razem? Na poniższej animacji przedstawiającej przykładowy układ można to zaobserwować:

Zespół przekładni planetarnych - YouTube
( należy włączyć adnotacje na YouTube, jeśli są wyłączone )

I teraz wielka tajemnica wiary: to jest właśnie zasada pracy przekładni automatycznej. Tadaaa! ?
Jak widać, wszystkie koła zębate w przekładniach planetarnych są zawsze ze sobą zazębione, dlatego podczas zmiany biegów nigdy nie słychać zgrzytania, a zmiana jest płynna – za zmianę odpowiadają tylko i wyłącznie sprzęgła oraz taśmy hamulcowe – dlatego zmiany biegów są gładkie i przyjemne.
Jak to wygląda w praktyce? Tak, że w zależności od wybranego przełożenia rozluźniane bądź ściągane są odpowiednie taśmy hamulcowe oraz mokre sprzęgła, co powoduje zatrzymywanie i wprawianie w ruch odpowiednich w tym momencie elementów przekładni – czy to kół planetarnych wraz z jarzmami, czy to pierścieni zewnętrznych, czy kół słonecznych. Taki układ dwóch przekładni, wraz z obecną w skrzyni przekładnią główną ( czyli sprzęgłem bezpośrednim i hamulcem wstecznego biegu ) pozwala uzyskać cztery przełożenia do jazdy do przodu oraz jedno do tyłu.
Zasada pracy nie jest skomplikowana, chociaż taka może się na początku wydawać – zasadniczo jest to rozwiązanie dość proste – wystarczy przeanalizować drugą animację by zrozumieć wszystko +/- ze strony mechanicznej.

A sterowanie sprzęgłami i taśmami hamulcowymi? Tym zajmuje się płyta sterująca.

Kilka fotek przekładni planetarnych ze skrzynki 722.408.

   


- PŁYTA STERUJĄCA

Znajduje się pod skrzynią biegów, bezpośrednio pod mechanizmami opisanymi powyżej. Zadaniem płyty sterującej jest poprzez sieć kanałów i zaworów sterować pracą skrzyni biegów, poprzez hamowanie/zwalnianie taśm hamulcowych oraz sprzęgieł ciernych.
Płyta wykonana jest ze stopów aluminium ( nie mylić z „amelinium” ), na pierwszy rzut oka przypomina mrowisko.



Wewnątrz płyty znajdują się różne zawory, które pod wpływem ciśnienia oleju zamykają się bądź otwierają, odcinając dopływ oleju – lub przeciwnie – pozwalając wpłynąć mu w kolejne obszary płyty, w kolejne zawory… całość przypomina w działaniu, nazwijmy to, „analogowy program komputerowy” – gdy otworzy się ten zawór, tamten się zamknie, płyn popłynie tu i tam otwierając kolejny zawór, a on otwierając się odetnie dopływ cieczy tu i tu, zamykając jeszcze inny zawór. To tak w skrócie, ale wiecie co mam na myśli. Zaworów jest kilkanaście i pełnią najróżniejsze funkcje. Najbardziej znany jest chyba K1, którego wypracowanie odpowiada za „międzygaz” pomiędzy zmianą z drugiego na trzeci bieg – jest to efekt zbyt szybkiego zwalniania taśmy hamulcowej B1 w stosunku do „zapinania” sprzęgła bezpośredniego K1.

O ile system przekładni planetarnych jest sercem skrzyni automatycznej, to płyta bez wątpienia jest jej mózgiem. O mózg trzeba dbać, jak i o płytę. Jak to robić? Regularne wymiany oleju i filtra – gdyż czystość to najlepszy przyjaciel płyty – zabrudzenia płynące pod ciśnieniem mogą na amen przyblokować wąskie kanaliki i utrudnić, bądź uniemożliwić pracę tego elementu.

Uszkodzenia płyty sterującej praktycznie się nie zdarzają – najczęściej najsłabszym ogniwem okazują się zacinające się zawory bądź zabrudzenia, które doprowadzają do dysfunkcji.

Podczas przebudowy skrzyni biegów zawory można wymieniać, a płytę wyczyścić – składa się ona z dwóch połówek, które ściśle przylegają do siebie. Po oddzieleniu dają dostęp do kanalików i zaworków schowanych wewnątrz.


- WYBIERAK I CIĘGNO GAZU

Za pomocą wybieraka biegów ustawiamy żądany tryb pracy skrzyni biegów. Co dzieje się w skrzyni? Wybierak połączony jest z zaworem, który przechodząc poprzez kolejne tryby pracy otwiera i zamyka kolejne kanały w skrzyni biegów – porusza się wzdłużnie do osi skrzyni wewnątrz płyty sterującej. Dlaczego o tym wspominam? Dlatego, iż konstrukcja płyty ( sterowanie ciśnieniami ) pozwala na przełączanie trybów podczas jazdy, także tych przeciwstawnych – np. z R na D bez użycia hamulca gdy samochód się toczy. Zasadniczo nie powinno się tak robić, ale jeśli już tak niechcący zrobimy – absolutnie nic się nie stanie – gdyż ciśnienie na elementach odpowiedzialnych za działanie wstecznego biegu zniknie ( tu: hamulec B3, sprzęgło K1 ), a pojawi się na zupełnie innych elementach skrzyni ( taśmy B1 i B2 dla drugiego biegu ) – na żaden z tych elementów nie zadziała destruktywna siła.

Cięgno gazu także jest elementem dość prostym w działaniu. Linka znajdująca się na zewnątrz skrzyni połączona jest z zaworem, który jest – nazwijmy to w skrócie – akumulatorem ciśnienia. Im bardziej wyciągnięta linka ( bardziej wciśnięty pedał gazu ), tym większe ciśnienie potrzebne jest do otwarcia zaworu i zapoczątkowania zmiany biegów; a im większe ciśnienie jest potrzebne, tym większe obroty potrzebne są do jego wytworzenia.


- BLOKADA PARKINGOWA

Blokada kół napędowych samochodu poprzez położenie „P” lewarka wykonywana jest czysto mechanicznie. Położenie „P” to taki sam tryb pracy skrzyni jak „N” ( wszystkie sprzęgła i hamulce zwolnione ) z tą różnicą, że element „wybierający” biegi w skrzyni mechanicznie aktywuje zamontowaną na sprężynie blokadę parkingową.

Blokada ta to niewielki wieniec zębaty z zapadką w kształcie litery „L”, który znajduje się na końcu skrzyni biegów. Jak działa? Gdy wrzucimy „P” zapadka mechanicznie łapie wypustki w wieńcu i fizycznie blokuje wałek zdawczy skrzyni. Gdy wybieramy inny bieg, element ciągnie za sobą zapadkę zwalniając wieniec. Czasami, gdy auto stoi na pochyleniu, do przełożenia z „P” trzeba użyć siły – cały ciężar auta spoczywa na zablokowanym wieńcu. Czasem po wrzuceniu „P” auto przejedzie jeszcze kilka centymetrów do przodu lub do tyłu – to normalne, gdyż zapadka musi wskoczyć w wypustkę wieńca ( słyszalne kliknięcie ).
Poniżej foto tego wieńca wraz z zapadką, i dla porównania moneta 2 złotowa. Uwierzycie, że taki kawałek metalu z powodzeniem wytrzyma ciężar samochodu?



Co się stanie, jeśli wybierzemy pozycję „P” gdy samochód jest jeszcze w ruchu? Dwie opcje: jeśli zapadka zablokuje się, zablokuje też koła pojazdu ( efekt zaciągniętego hamulca ręcznego ), lub – jeśli wieniec obraca się jeszcze zbyt szybko – zapadka będzie przelatywać nad wieńcem wydając z siebie dźwięki szybkiego, metalicznego „klikania” ( w ten sposób można uszkodzić ten mechanizm ). Na fotce widać stan zarówno zapadki, jak i wieńca – są niemal idealne, jedynie na zapadce widać, po jej lewej stronie, delikatniutkie odkształcenia materiału. Oba elementy pochodzą ze skrzyni biegów z 1989 roku, co daje pojęcie o twardości tych materiałów.



To chyba wszystko, co chciałem napisać.
Mam nadzieję, że lektura tego tekstu ( plus foto/wideo załączników ) trochę chociaż rozjaśniła Wam w głowach – taki był plan. Automat to żadna magia – to po prostu kolejne urządzenie, którego zasady działania można się nauczyć. I nie mam na myśli tego, aby stać się od razu ekspertem, ale tego by PO PROSTU wiedzieć jak działa i dlaczego.

Poniżej, na koniec, kilka filmików, w których zobaczyć możecie taśmę hamulcową, tarczki, sprzęgło z pompą oraz jak działają przekładnie planetarne i jak wyglądają one w skrzynce 722.4xx – specjalnie dla Was wcieliłem się w aktora, chociaż nie wychodzi mi to najlepiej... ( w jakości HD  ).

Taśma hamulcowa ( brake band ) - YouTube
Przekładnia planetarna ( planetary gear set ) - YouTube
Pompa i sprzęgło hydrokinetyczne ( oil pump and torque converter ) - YouTube

Pozdrawiam!


PS. W miarę możliwości proszę o przypięcie tego tematu - to znacznie ułatwi jego "znajdowalność".