Bezstopniowe skrzynki biegów — przekładnie
Ciągłą (bezstopniową) zmianę prze-
łożeń można uzyskać wieloma sposoba-
mi, stosując przekładnie mechaniczne,
hydrauliczne (hydrokinetyczne lub hy-
drostatyczne) lub elektryczne. Z przekładni bezstopniowych w samochodach stosuje się prawie wyłącznie przekładnie hydrokinetyczne.
W przekładni takiej, podobnie jak w przypadku sprzęgła hydroki-netycznego, czynnikiem przenoszącym napęd jest ciecz wirująca między łopatkami wirników. Różnica między sprzęgłem a przekładnią polega na tym, że przekładnia hydrokinetyczna może zwiększać wartość przekazywanego momentu obrotowego, dostosowując go do chwilowego obciążenia. Efekt ten uzyskuje się dzięki zastosowaniu dodatkowego, nieruchomego
elementu kierowniczego o kształcie wirnika, tzw. kierownicy, umieszczonego między turbiną i pompą (rys. 12.26). Kąty pochylenia łopatek wirników pompy, turbiny oraz kierownicy są tak dobrane, że wirująca ciecz zmienia na łopatkach kierownicy kierunek ruchu i na-
pierając na me wywołuje powstanie momentu reakcyjnego. O wielkości reakcyjnego oddziaływania kierownicy decyduje stopień odchylenia kierunku przepływającej przez nią cieczy oraz prędkość tej cieczy. Zmiana kierunku ruchu zależy od konstrukcji wirnika, a ściślej od kształtu jego łopatek, natomiast prędkość przepływu cieczy zależy od różnicy prędkości obrotowych pompy i turbiny.
Jeżeli wskutek napotkanego wzniesienia drogi, przeciwnego wiatru, bądź jakichkolwiek innych przyczyn, opory ruchu pojazdu wzrosną, wówczas zmniejsza się prędkość jazdy i zmniejsza się prędkość obrotów turbiny, związanej układem napędowym z kołami. Spadek prędkości obrotowej turbiny w stosunku do prędkości pompy powoduje wzrost różnicy sił odśrodkowych, działających na cząsteczki cieczy wypełniającej przestrzeń między-łopatkową wirników. Szybsze wirowanie cieczy między łopatkami powoduje powstanie większego momentu reakcyjnego na kierownicy, w wyniku czego wzrasta moment obrotowy na wale napędzanym przekładni i na kołach. Umożliwia to pokonanie napotykanych oporów ruchu i ponowne zwiększenie prędkości jazdy.
W sprzęgłach hydrokinetycznych moment na turbinie Mt był zawsze równy momentowi na pompie Mp. W przekładniach hydrokinetycznych, dzięki zastosowaniu kierownicy, bilans momentów ma postać
Mt = Mp + Mk
gdzie: Mf, — moment reakcyjny na kierownicy.
Stosunek momentu na wale napędzanym do momentu na wale napędzającym stanowi dynamiczne przełożenie przekładni, nazywane stopniem transformacji i oznaczane literą k
™p
k=Mt_= Mp + Mk = j Mk
™p
Stosunek prędkości obrotowej wału napędzanego nt do prędkości obrotowej wału napędzającego np stanowi przełożenie kinematyczne przekładni
Sprawność przekładni hydrokinetycznej r, określamy jako stosunek mocy oddawanej przez turbinę Nt do mocy pobieranej przez pompę Np
Jak widać, sprawność przekładni hydrokinetycznej jest równa iloczynowi stopnia transformacji i przełożenia kinematycznego.
Na rys. 12.27 przedstawiono charakterystykę przekładni w postaci funkcji k =/(*) oraz >) = f(i), tzn. w postaci zależności stopnia transformacji i sprawności od przełożenia kinematycznego. Charakterystykę taką można także wykonać w funkcji poślizgu przekładni s, przy czym poślizg określa się jako
Z zależności 12.7 widać wyraźnie, że wzrostowi poślizgu (spowodowanemu np. wzrostem oporów ruchu) towarzyszy zmniejszenie się wartości przełożenia kinematycznego. Jednocześnie rośnie jednak stopień transformacji (patrz rys. 12.27). Do kół doprowadzony jest więc większy moment, ale obracają się one z mniejszą prędkością obrotową. Taki sam efekt osiąga kierowca samochodu wyposażonego w stopniową skrzynkę biegów, gdy w celu pokonania zwiększonych oporów ruchu włącza niższy bieg.
Zgodnie z zależnością 12.6 sprawność przekładni jest równa zero, gdy k = 0 oraz gdy i = 0. Jak widać z rys. 12.27, ze wzrostem wartości i funkcja yj = /(i) początkowo rośnie, osiąga maksimum, a następnie maleje
i dla i = 100% *) jest równa zeru. Szczególnie szybko sprawność przekładni maleje począwszy od wartości i, przy której stopień transformacji k = 1 (punkt A wykresu). Zgodnie z wzorem 12.4 stopień transformacji osiąga wartości mniejsze od jedności wówczas, gdy moment na kierownicy Mk zmienia znak na ujemny. Aby uniknąć pracy przekładni hydrokinetycznej w zakresie niskiej sprawności, konstrukcja przekładni powinna wykluczać możliwość występowania ujemnego momentu reakcyjnego na kierownicy. Można to osiągnąć łącząc kierownicę z obudową nie w sposób sztywny, lecz za pomocą sprzęgła jednokierunkowego (tzw. wolnego koła). Wówczas przekładnia pracuje w opisany poprzednio sposób tak długo, dopóki moment Mk jest dodatni. Gdy wartość momentu spada do zera, kierownica zaczyna obracać się razem z turbiną. Moment reakcyjny Mk = 0 i przekładnia zaczyna pracować jak sprzęgło hydrokinetyczne. Charakterystykę takiej przekładni przedstawiono na rys. 12.28.
Na rys. 12.29 przedstawiono charakterystykę przekładni hydrokinetycznej, w której oprócz wolnego koła zastosowano dodatkowe sprzęgło cierne między wałami napędzającym i napędzanym. Z chwilą gdy zaczyna obracać się kierownica, następuje równocześnie samoczynne sprzęgnięcie wałów, dzięki czemu napęd przenoszony jest w sposób bezpośredni. Sprawność takiego przeniesienia napędu 7) = 1.
Zdolność samoczynnego dostosowywania się momentu obrotowego na wale napędzanym do obciążenia stanowi cenną zaletę przekładni hy-drokinetycznych. Odbierany moment obrotowy zmienia się automatycznie, bez udziału kierowcy i jakiegokolwiek specjalnego urządzenia sterującego. Dlatego w większości automatycznych skrzynek biegów stosuje się przekładnie hydrokinetyczne. Aby jednak zwiększyć zakres przełożeń takiej przekładni, łączy się ją zwykle z kilkustopniową mechaniczną skrzynką bie-
gów (najczęściej planetarną), w której poszczególne biegi włącza się przez dodatkowy układ automatycznego sterowania. Taki zespół nazywamy skrzynką hydromechaniczną.
Hydromechaniczne skrzynki biegów znalazły szerokie zastosowanie we współczesnych samochodach. Na rys. 12.30 przedstawiono przykładowo automatyczną hydromechaniczną skrzynkę biegów systemu Torąueflite, stosowaną w wielu samochodach, np.: Chrysler, De Soto, Dodge, Imperial i inne. Jest ona złożona z przekładni hydrokinetycznej o zakresie przełożenia od 1,0 do 2,7 oraz trójstopniowej skrzynki planetarnej o dwóch redukujących rzędach planetarnych. Trzeci stopień przekładni uzyskuje się włączając przełożenie bezpośrednie. Na rys. 12.31 przedstawiono charakterystykę takiej przekładni.