Bentornato a Gearhead 101 , una serie sulle nozioni di base su come funzionano le auto per i neofiti del settore automobilistico.
Se hai seguito Gearhead 101, sai come funziona il motore di un'auto, come il motore trasferisce la potenza che genera tramite la trasmissione e come funziona una trasmissione manuale come una sorta di quadro elettrico tra il motore e la trasmissione.
Ma la maggior parte delle persone al giorno d'oggi (almeno se vivi negli Stati Uniti) guida l'auto con automatica trasmissioni. Ti sei mai chiesto come la tua auto possa innestare la marcia appropriata senza che tu debba fare altro che premere il pedale dell'acceleratore o il freno?
Bene, tieniti il sedere. Stiamo per guidarti attraverso uno dei pezzi più sorprendenti di ingegneria meccanica (e fluida) nella storia umana:il cambio automatico.
(Seriamente, non esagero:una volta capito come funzionano le trasmissioni automatiche, rimarrai sbalordito dal fatto che le persone siano state in grado di inventare questa cosa senza computer.)
Prima di entrare nei dettagli su come funziona un cambio automatico, facciamo una rapida rassegna del motivo per cui i veicoli hanno bisogno di un cambio, di qualsiasi tipo, in primo luogo.
Come discusso nel nostro manuale su come funziona il motore di un'auto, il motore del tuo veicolo crea potenza di rotazione. Per spostare l'auto, dobbiamo trasferire quella potenza di rotazione alle ruote. Questo è ciò che fa la trasmissione dell'auto, di cui fa parte la trasmissione.
Ma ecco il problema:un motore può girare solo entro una certa velocità per funzionare in modo efficiente. Se gira troppo in basso, non saresti in grado di far muovere l'auto da ferma; se gira troppo velocemente, il motore può autodistruggersi.
Quello di cui abbiamo bisogno è un modo per moltiplicare la potenza prodotta dal motore quando è necessario (partendo da fermo, in salita, ecc.), ma anche diminuire la quantità di potenza inviata dal motore quando non è necessaria ( in discesa, andando davvero forte, sbattendo i freni).
Inserisci la trasmissione.
La trasmissione assicura che il motore giri a una velocità ottimale (né troppo lenta né troppo veloce) fornendo allo stesso tempo alle ruote la giusta quantità di potenza di cui hanno bisogno per muoversi e fermare l'auto, indipendentemente dalla situazione in cui ti trovi. tra il motore e il resto della trasmissione e agisce come un quadro elettrico per l'auto.
In precedenza abbiamo approfondito il modo in cui le trasmissioni manuali realizzano questo obiettivo attraverso i rapporti del cambio. Collegando tra loro ingranaggi di diverse dimensioni, è possibile aumentare la quantità di potenza erogata al resto dell'auto senza modificare così tanto la velocità della potenza di rotazione del motore. Se non hai ancora afferrato l'idea dei rapporti di trasmissione, ti consiglio di guardare il video che abbiamo incluso l'ultima volta prima di andare avanti; nient'altro avrà senso se non capisci questo concetto.
Con un cambio manuale, puoi controllare quali marce sono inserite premendo la frizione e inserendo le marce in posizione.
Su una trasmissione automatica, un'ingegneria brillante determina quale marcia è inserita senza che tu debba fare nulla se non premere l'acceleratore o i pedali del freno. È magia automobilistica.
Quindi, a questo punto, dovresti avere una comprensione di base dello scopo di una trasmissione:assicura che il tuo motore giri a un ritmo ottimale (né troppo lento né troppo veloce), fornendo allo stesso tempo alle tue ruote la giusta quantità di potenza per muoversi e fermare il macchina, non importa la situazione.
Diamo un'occhiata alle parti che consentono ciò nel caso del cambio automatico:
Involucro della trasmissione
Una scatola di trasmissione alloggia tutte le parti della trasmissione. Sembra una specie di campana, quindi la sentirai spesso chiamare "campana". La scatola della trasmissione è tipicamente realizzata in alluminio. Oltre a proteggere tutti gli ingranaggi in movimento della trasmissione, la campana delle auto moderne ha vari sensori che tracciano la velocità di rotazione in ingresso dal motore e la velocità di rotazione in uscita al resto dell'auto.
Convertitore di coppia
Ti sei mai chiesto perché puoi accendere il motore della tua auto, ma non fare in modo che la cosa vada avanti? Bene, questo perché il flusso di potenza dal motore alla trasmissione è disconnesso. Questa disconnessione consente al motore di continuare a funzionare anche se il resto della trasmissione dell'auto non riceve potenza. Su un cambio manuale, disconnetti l'alimentazione dal motore alla trasmissione premendo la frizione.
Ma come si scollega l'alimentazione dal motore al resto della trasmissione su un cambio automatico che non ha la frizione?
Con un convertitore di coppia, ovviamente.
È qui che inizia la magia nera dei cambi automatici (non siamo ancora arrivati ai riduttori epicicloidali).
Il convertitore di coppia si trova tra il motore e la trasmissione. È una cosa dall'aspetto a ciambella che si trova all'interno della grande apertura della cassa del campanello della trasmissione. Ha due funzioni primarie in termini di trasmissione della coppia:
Svolge queste due funzioni grazie alla potenza idraulica fornita dal fluido di trasmissione all'interno della trasmissione.
Per capire come funziona, dobbiamo sapere come funzionano le diverse parti di un convertitore di coppia.
Parti di un convertitore di coppia
Ci sono quattro parti principali di un convertitore di coppia nella maggior parte dei veicoli moderni:1) la pompa, 2) lo statore, 3) la turbina e 4) la frizione del convertitore di coppia.
La turbina può girare grazie al fluido di trasmissione che viene inviato dalla pompa. Le pale della turbina sono progettate in modo tale che il fluido che riceve venga spostato verso il centro della turbina e di nuovo verso la pompa.
Lo fa grazie a un'ingegnosa ingegneria. Innanzitutto, le pale del reattore sono progettate in modo tale che quando il fluido di trasmissione in uscita dalla turbina colpisce le pale dello statore, il fluido venga deviato nella stessa direzione di rotazione della pompa.
In secondo luogo, lo statore è collegato a un albero fisso sulla trasmissione tramite una frizione unidirezionale. Ciò significa che lo statore può muoversi solo in una direzione. Ciò garantisce che il fluido dalla turbina sia diretto in una direzione. Lo statore inizierà a girare solo quando la velocità del fluido dalla turbina raggiunge un certo livello.
Questi due elementi di progettazione dello statore facilitano il lavoro della pompa e generano una maggiore pressione del fluido. Questo, a sua volta, crea una coppia amplificata alla turbina e poiché la turbina è collegata alla trasmissione, è possibile inviare più coppia alla trasmissione e al resto dell'auto. Accidenti.
Per annullare questa perdita di energia, la maggior parte dei moderni convertitori di coppia ha una frizione del convertitore di coppia collegata alla turbina. Quando l'auto raggiunge una certa velocità (di solito 45-50 mph), la frizione del convertitore di coppia si innesta e fa girare la turbina alla stessa velocità della pompa. Un computer controlla quando la frizione del convertitore è innestata.
Quindi queste sono le parti del convertitore di coppia.
Mettiamo tutto insieme e diamo un'occhiata a come sarebbe l'azione del convertitore di coppia quando si passa da un punto morto a una velocità di crociera:
Accendi la macchina ed è al minimo. La pompa gira alla stessa velocità del motore e invia il fluido di trasmissione verso la turbina, ma poiché il motore non gira molto velocemente a un punto morto, la turbina non gira così velocemente, quindi non può erogare coppia alla trasmissione.
Tu dai il gas. Ciò fa girare il motore più velocemente, il che fa girare più velocemente la pompa del convertitore di coppia. Poiché la pompa gira più velocemente, il fluido di trasmissione si muove abbastanza velocemente dalla pompa per iniziare a far girare la turbina più velocemente. Le pale della turbina inviano il fluido allo statore. Lo statore non gira ancora perché la velocità del fluido di trasmissione non è sufficientemente alta.
Ma a causa del design delle pale dello statore, quando il fluido le attraversa, devia il fluido alla pompa nella stessa direzione in cui la pompa sta girando. Ciò consente alla pompa di riportare il fluido alla turbina a una velocità maggiore e crea una maggiore pressione del fluido. Quando il fluido torna alla turbina, lo fa con più coppia, facendo sì che la turbina fornisca più coppia alla trasmissione. L'auto inizia ad andare avanti.
Più e più volte questo ciclo continua mentre la tua auto accelera. Quando si raggiunge la velocità di crociera, il fluido di trasmissione raggiunge una pressione che fa finalmente girare le pale del reattore. Con la rotazione del reattore, la coppia si riduce. A questo punto, non hai bisogno di molta coppia per muovere l'auto perché l'auto si muove a una buona velocità. La frizione del convertitore di coppia si innesta e fa girare la turbina alla stessa velocità della pompa e del motore.
Va bene, quindi il convertitore di coppia è ciò che consente o impedisce la trasmissione della potenza dal motore alla trasmissione e ciò che moltiplica la coppia alla trasmissione per far ripartire l'auto da un punto morto. È ora di dare un'occhiata alle parti della trasmissione che consentono all'auto di cambiare marcia automaticamente.
Ingranaggi planetari
Quando il tuo veicolo raggiunge velocità più elevate, ha bisogno di meno coppia per far funzionare l'auto. Le trasmissioni possono aumentare o diminuire la quantità di coppia inviata alle ruote dell'auto grazie ai rapporti del cambio. Più basso è un rapporto di trasmissione, maggiore è la coppia erogata. Maggiore è un rapporto di trasmissione, minore è la coppia erogata.
Su un cambio manuale, devi spostare il cambio per cambiare i rapporti del cambio.
Su una trasmissione automatica, i rapporti del cambio aumentano e diminuiscono automaticamente. E questo è possibile grazie all'ingegnoso design di un riduttore epicicloidale.
Un riduttore epicicloidale è costituito da tre componenti:
Un singolo ingranaggio epicicloidale può ottenere la retromarcia e cinque livelli di marcia avanti. Tutto dipende da quale dei tre componenti del gruppo ingranaggi è in movimento o è tenuto fermo.
Diamo un'occhiata a quello in azione con i diversi componenti che agiscono come l'ingranaggio di ingresso (l'ingranaggio che sta generando la potenza), l'ingranaggio di uscita (l'ingranaggio che riceve l'alimentazione) o che vengono mantenuti fermi.
Ingranaggio solare:ingranaggio di ingresso / Porta planetaria:ingranaggio di uscita / Ingranaggio ad anello:tenuto fermo
In questo scenario, l'ingranaggio solare è l'ingranaggio di ingresso. La corona dentata non si muove. Con l'ingranaggio solare in movimento e la corona dentata tenuta in posizione, gli ingranaggi planetari ruoteranno sui propri alberi portanti e cammineranno all'interno della corona dentata, ma nella direzione opposta a quella dell'ingranaggio solare. Ciò fa sì che il supporto ruoti nella stessa direzione dell'ingranaggio solare. Il supporto diventa così l'ingranaggio di uscita.
Questa configurazione crea un rapporto di trasmissione basso, il che significa che l'ingranaggio di ingresso (in questo caso, l'ingranaggio solare) gira più velocemente dell'ingranaggio di uscita (il portasatelliti). Ma la quantità di coppia creata dal portasatelliti è molto più di quella fornita dall'ingranaggio solare.
Questo tipo di configurazione verrebbe utilizzata quando l'auto è appena avviata.
Ingranaggio solare:tenuto fermo / Porta epicicloidale:ingranaggio di uscita / Ingranaggio ad anello:ingranaggio di ingresso
In questo scenario, l'ingranaggio solare è tenuto fermo, ma la corona dentata diventa l'ingranaggio di ingresso (ovvero fornisce potenza al sistema di ingranaggi). Poiché l'ingranaggio solare viene trattenuto, gli ingranaggi planetari rotanti cammineranno attorno all'ingranaggio solare e porteranno con sé il portasatellite.
Il portasatelliti si muove nella stessa direzione della corona dentata ed è un ingranaggio di uscita.
Questa configurazione crea un rapporto di trasmissione leggermente superiore rispetto alla prima configurazione. Ma l'ingranaggio di ingresso (la corona dentata) gira ancora più velocemente dell'ingranaggio di uscita (il supporto planetario). Ciò si traduce nell'ingranaggio planetario che fornisce più coppia, o potenza, al resto della trasmissione. Questa configurazione sarebbe probabilmente in gioco quando la tua auto accelera da un punto morto o quando stai guidando su una collina.
Ingranaggio solare:ingranaggio di ingresso / Porta planetaria:ingranaggio di uscita / Ingranaggio ad anello:ingranaggio di ingresso
In questo scenario, sia l'ingranaggio solare che la corona dentata agiscono come ingranaggi di ingresso. Cioè, entrambi girano alla stessa velocità e nella stessa direzione. This causes the planetary gears to not spin on their individual shafts. Come mai? If the ring gear and the sun gear are the input members, the internal teeth of the ring gear will try to rotate the planetary gears in one direction, while the external teeth of the sun gear will try to drive them in the opposite direction. So they lock into place. The whole unit (sun gear, planetary carrier, ring gear) moves together at the same speed and they transfer the same amount of power. When the input and the output transfer the same amount of torque, it’s called direct drive.
This arrangement would be in play when you’re cruising around 45-50 mph.
Sun Gear:held stationary / Planetary Carrier:input gear / Ring Gear:output gear
In this scenario, the sun gear is held stationary, and the planetary carrier becomes the input gear that delivers power to the gear system. The ring gear is now the output gear.
As the planet carrier rotates, the planetary gears are forced to walk around the held sun gear, which drives the ring gear faster. One complete rotation of the planet carrier causes the ring gear to rotate more than one complete revolution in the same direction. This is a high gear ratio and provides more output speed but less torque. This arrangement is also known as “overdrive.”
You’d be in this configuration when you’re driving on the freeway at 60+ mph.
An automatic transmission usually has more than one planetary gear set. They work together to create multiple gear ratios.
Because the gears are in constant mesh in a planetary gear system, gear changes are made without engaging or disengaging gears, like you do on a manual transmission.
But how does an automatic transmission tell which parts of the planetary gear system should act as the input gear, the output gear, or be held stationary, so we can get those varying gear ratios?
With the help of brake bands and clutches inside the transmission.
Brake Bands and Clutches
Brake bands are made of metal lined with organic friction material. The brake bands can tighten to hold the ring or sun gear stationary or loosen to let them spin. Whether a brake band tightens or loosens is controlled by a hydraulic system.
A series of clutches also connect to the different parts of a planetary gear system. Transmission clutches in automatic transmissions are made up of multiple metal and friction discs (which is why they’re sometimes referred to as a “multi disc clutch assembly”). When the discs are pressed together, it causes the clutch to engage. A clutch can cause a planetary gear part to become an input gear or it could cause it to become stationary. It just depends on how it’s connected to the planetary gear. Whether a clutch engages or not is driven by a combination of mechanical, hydraulic, and electrical design. And it all happens automatically.
Now the intricacies of how the various clutches work together to hold and drive different components is pretty complicated. Too complicated to describe it in text. It’s best understood visually. I highly recommend checking out this video that walks you through it:
As you can see, there are a lot of moving parts inside an automatic transmission. It uses a combination of mechanical, fluid, and electrical engineering to give you a smooth ride from dead stop to highway cruising speed.
So let’s walk through a big picture overview of the power flow in an automatic transmission.
The engine sends power to the torque convertor’s pump .
The pump sends power to the torque converter’s turbine via transmission fluid.
The turbine sends the transmission fluid back to the pump via the stator .
The stator multiples the power of the transmission fluid, allowing the pump to send more power back to the turbine. A vortex power rotation is created inside the torque converter.
The turbine is connected to a central shaft that connects to the transmission. As the turbine spins, the shaft spins, sending power to the first planetary gear set of the transmission.
Depending on which multiple disc clutch or brake band is engaged in the transmission, the power from the torque converter will either cause the sun gear , the planetary carrier , or the ring gear of the planetary gear system to move or stay stationary.
Depending on which parts of the planetary gear system are moving or not determines the gear ratio . Whatever planetary gear arrangement you have (sun gear acting as input, planetary carrier acting as output, ring gear stationary — see above) will determine the amount of power the transmission sends to the rest of the drive train.
That, broadly speaking, is how an automatic transmission works. There are sensors and valves that regulate and modify things, but that’s the basic gist of it.
It’s something that’s easier understood visually. I highly recommend watching the following video. The background we went through will make it much easier to understand:
Cosa ti avevo detto? The automatic transmission is pretty dang amazing.
Now as you feel the car shift gears as you cruise down the freeway, you’ll have a good idea of what’s going on under the hood.
