Se hai mai guidato un'auto con cambio automatico, allora sai che ci sono due grandi differenze tra un cambio automatico e un cambio manuale:
Sia il cambio automatico (più il suo convertitore di coppia) che il cambio manuale (con la sua frizione) fanno esattamente la stessa cosa, ma lo fanno in modi completamente diversi. Si scopre che il modo in cui lo fa un cambio automatico è assolutamente incredibile!
In questo articolo, lavoreremo attraverso una trasmissione automatica. Inizieremo con la chiave dell'intero sistema:i riduttori epicicloidali. Quindi vedremo come è composta la trasmissione, impareremo come funzionano i controlli e discuteremo alcune delle complessità coinvolte nel controllo di una trasmissione.
Contenuti
Proprio come quello di un cambio manuale, il compito principale del cambio automatico è consentire al motore di funzionare nella sua gamma ristretta di velocità fornendo un'ampia gamma di velocità di uscita.
Senza una trasmissione, le auto sarebbero limitate a un rapporto di trasmissione e quel rapporto dovrebbe essere selezionato per consentire all'auto di viaggiare alla velocità massima desiderata. Se volessi una velocità massima di 80 mph, il rapporto di trasmissione sarebbe simile alla terza marcia nella maggior parte delle auto con cambio manuale.
Probabilmente non hai mai provato a guidare un'auto con cambio manuale usando solo la terza marcia. Se lo facessi, scopriresti rapidamente che non avevi quasi alcuna accelerazione all'avvio e, ad alta velocità, il motore striderebbe vicino alla linea rossa. Un'auto come questa si consumerebbe molto rapidamente e sarebbe quasi inguidabile.
Quindi la trasmissione utilizza gli ingranaggi per utilizzare in modo più efficace la coppia del motore e per mantenere il motore in funzione a una velocità adeguata. Durante il traino o il trasporto di oggetti pesanti, la trasmissione del veicolo può diventare abbastanza calda da bruciare il fluido di trasmissione. Per proteggere la trasmissione da gravi danni, i conducenti che trainano dovrebbero acquistare veicoli dotati di radiatori della trasmissione.
La differenza fondamentale tra un cambio manuale e un cambio automatico è che il cambio manuale blocca e sblocca diversi set di ingranaggi sull'albero di uscita per ottenere i vari rapporti di trasmissione, mentre in un cambio automatico, lo stesso set di ingranaggi produce tutti i diversi ingranaggi rapporti. Il riduttore epicicloidale è il dispositivo che lo rende possibile in un cambio automatico.
Diamo un'occhiata a come funziona il riduttore epicicloidale.
Quando smonti e guardi all'interno di una trasmissione automatica, trovi un vasto assortimento di parti in uno spazio abbastanza piccolo. Tra le altre cose, vedi:
Il centro dell'attenzione è il gruppo di ingranaggi planetari . Delle dimensioni di un melone, questa parte crea tutti i diversi rapporti di trasmissione che la trasmissione può produrre. Tutto il resto nella trasmissione è lì per aiutare il riduttore epicicloidale a fare il suo lavoro. Questo fantastico pezzo di ingranaggi è già apparso su HowStuffWorks. Potresti riconoscerlo dall'articolo sull'avvitatore elettrico. Una trasmissione automatica contiene due ingranaggi planetari completi piegati insieme in un unico componente. Vedi come funzionano i rapporti di trasmissione per un'introduzione ai riduttori epicicloidali.
Qualsiasi gruppo di ingranaggi epicicloidali ha tre componenti principali:
Ciascuno di questi tre componenti può essere l'ingresso, l'uscita o può essere tenuto fermo. La scelta di quale pezzo svolge quale ruolo determina il rapporto di trasmissione per il cambio. Diamo un'occhiata a un singolo riduttore epicicloidale.
Uno dei riduttori epicicloidali della nostra trasmissione ha una corona dentata con 72 denti e un ingranaggio solare con 30 denti. Possiamo ottenere molti rapporti di trasmissione diversi da questo cambio.
Inoltre, il blocco di due qualsiasi dei tre componenti insieme bloccherà l'intero dispositivo con una riduzione dell'ingranaggio 1:1. Nota che il primo rapporto di trasmissione sopra elencato è una riduzione -- la velocità di uscita è inferiore alla velocità di ingresso. Il secondo è un overdrive -- la velocità di uscita è maggiore della velocità di ingresso. L'ultima è di nuovo una riduzione, ma la direzione di uscita è invertita. Ci sono molti altri rapporti che possono essere ottenuti da questo ingranaggio planetario, ma questi sono quelli che sono rilevanti per il nostro cambio automatico. Puoi provarli nell'animazione qui sotto:
Animazione dei diversi rapporti di trasmissione relativi ai cambi automatici
Fai clic sui pulsanti a sinistra nella tabella sopra.
Quindi questo unico set di ingranaggi può produrre tutti questi diversi rapporti di trasmissione senza dover innestare o disinnestare altre marce. Con due di questi ingranaggi di fila, possiamo ottenere le quattro marce avanti e una retromarcia di cui la nostra trasmissione ha bisogno. Metteremo insieme i due set di ingranaggi nella prossima sezione.
Questa trasmissione automatica utilizza una serie di ingranaggi, denominata riduttore epicicloidale composto , che sembra un unico ingranaggio planetario ma in realtà si comporta come due ingranaggi planetari messi insieme. Ha una corona dentata che è sempre l'uscita della trasmissione, ma ha due ingranaggi solari e due gruppi di pianeti.
Diamo un'occhiata ad alcune parti:
La figura seguente mostra i pianeti nel portasatelliti. Nota come il pianeta a destra si trova più in basso del pianeta a sinistra. Il pianeta a destra non innesta la corona dentata, ma impegna l'altro pianeta. Solo il pianeta a sinistra innesta la corona dentata.
Successivamente puoi vedere l'interno del vettore pianeta. Le marce più corte sono impegnate solo dalla ruota solare più piccola. I pianeti più lunghi sono impegnati dall'ingranaggio solare più grande e dai pianeti più piccoli.
L'animazione di seguito mostra come tutte le parti sono collegate in una trasmissione.
Muovi la leva del cambio per vedere come viene trasmessa la potenza attraverso la trasmissione.
Nella prima marcia, l'ingranaggio solare più piccolo è azionato in senso orario dalla turbina nel convertitore di coppia. Il portasatelliti cerca di ruotare in senso antiorario, ma è tenuto fermo dalla frizione unidirezionale (che consente solo la rotazione in senso orario) e la corona dentata fa girare l'uscita. L'ingranaggio piccolo ha 30 denti e la corona dentata ne ha 72, quindi il rapporto di trasmissione è:
Rapporto =-R/S =- 72/30 =-2,4:1
Quindi la rotazione è negativa 2,4:1, il che significa che la direzione di uscita sarebbe opposta la direzione di input. Ma la direzione dell'output è davvero la stessa come direzione di input -- è qui che entra in gioco il trucco con i due gruppi di pianeti. Il primo gruppo di pianeti impegna il secondo gruppo e il secondo gruppo fa girare la corona dentata; questa combinazione inverte la direzione. Puoi vedere che ciò causerebbe anche la rotazione dell'ingranaggio solare più grande; ma poiché quella frizione viene rilasciata, l'ingranaggio solare più grande è libero di ruotare nella direzione opposta alla turbina (in senso antiorario).
Muovi la leva del cambio per vedere come viene trasmessa la potenza attraverso la trasmissione.
Questa trasmissione fa qualcosa di veramente pulito per ottenere il rapporto necessario per la seconda marcia. Funziona come due ingranaggi epicicloidali collegati tra loro con un portasatelliti comune.
Il primo stadio del portasatelliti utilizza effettivamente l'ingranaggio solare più grande come corona dentata. Quindi il primo stadio è costituito dal sole (l'ingranaggio solare più piccolo), il portasatelliti e l'anello (l'ingranaggio solare più grande).
L'ingresso è il piccolo ingranaggio solare; la corona dentata (grande ingranaggio solare) è tenuta ferma dalla fascia e l'uscita è il portasatelliti. Per questa fase, con il sole in ingresso, il portasatelliti in uscita e la corona dentata fissa, la formula è:
1 + R/S =1 + 36/30 =2,2:1
Il portasatelliti compie 2,2 giri per ogni rotazione del piccolo ingranaggio solare. Nella seconda fase, il portasatelliti funge da ingresso per il secondo gruppo di ingranaggi planetari, l'ingranaggio solare più grande (che è tenuto fermo) funge da sole e la corona dentata funge da uscita, quindi il rapporto di trasmissione è:
1 / (1 + S/R) =1 / (1 + 36/72) =0,67:1
Per ottenere la riduzione complessiva per la seconda marcia, moltiplichiamo il primo stadio per il secondo, 2,2 x 0,67, per ottenere una riduzione di 1,47:1. Può sembrare strano, ma se guardi il video ti farai un'idea di come funziona.
Muovi la leva del cambio per vedere come viene trasmessa la potenza attraverso la trasmissione.
La maggior parte delle trasmissioni automatiche ha un rapporto 1:1 in terza marcia. Ricorderai dalla sezione precedente che tutto ciò che dobbiamo fare per ottenere un'uscita 1:1 è bloccare insieme due qualsiasi delle tre parti dell'ingranaggio planetario. Con la disposizione in questo ingranaggio è ancora più semplice:tutto ciò che dobbiamo fare è innestare le frizioni che bloccano ciascuno degli ingranaggi solari alla turbina.
Se entrambi gli ingranaggi solari ruotano nella stessa direzione, gli ingranaggi del pianeta si bloccano perché possono ruotare solo in direzioni opposte. Questo blocca la corona dentata ai pianeti e fa girare tutto come un'unità, producendo un rapporto 1:1.
Muovi la leva del cambio per vedere come viene trasmessa la potenza attraverso la trasmissione.
Per definizione, un overdrive ha una velocità di uscita maggiore rispetto alla velocità di ingresso. È un aumento di velocità, l'opposto di una riduzione. In questa trasmissione, l'attivazione dell'overdrive realizza due cose contemporaneamente. Se leggi Come funzionano i convertitori di coppia, hai imparato a conoscere i convertitori di coppia con blocco. Per migliorare l'efficienza, alcune auto hanno un meccanismo che blocca il convertitore di coppia in modo che la potenza del motore vada direttamente alla trasmissione.
In questa trasmissione, quando l'overdrive è innestato, un albero che è fissato all'alloggiamento del convertitore di coppia (che è imbullonato al volano del motore) è collegato tramite frizione al portasatelliti. La ruota libera dell'ingranaggio solare piccolo e l'ingranaggio solare più grande è trattenuto dalla fascia overdrive. Nulla è collegato alla turbina; l'unico ingresso proviene dalla custodia del convertitore. Torniamo di nuovo al nostro grafico, questa volta con il portasatelliti in ingresso, l'ingranaggio solare fisso e la corona dentata in uscita.
Rapporto =1 / (1 + S/R) =1 / ( 1 + 36/72) =0,67:1
Quindi l'uscita gira una volta ogni due terzi di una rotazione del motore. Se il motore gira a 2000 giri al minuto (RPM), la velocità di uscita è di 3000 RPM. Ciò consente alle auto di guidare a velocità autostradale mentre il regime del motore rimane buono e lento.
Muovi la leva del cambio per vedere come viene trasmessa la potenza attraverso la trasmissione.
La retromarcia è molto simile alla prima marcia, tranne per il fatto che invece del piccolo ingranaggio solare azionato dalla turbina del convertitore di coppia, viene azionato l'ingranaggio solare più grande e quello piccolo ruota libera nella direzione opposta. Il portasatelliti è trattenuto dalla fascia inversa all'alloggiamento. Quindi, secondo le nostre equazioni dell'ultima pagina, abbiamo:
Quindi il rapporto in retromarcia è leggermente inferiore alla prima marcia in questa trasmissione.
Questa trasmissione ha quattro marce avanti e una retromarcia. Riassumiamo i rapporti di trasmissione, ingressi e uscite:
Dopo aver letto queste sezioni, probabilmente ti starai chiedendo come vengono collegati e disconnessi i diversi ingressi. Questo viene fatto da una serie di frizioni e fasce all'interno della trasmissione. Nella prossima sezione, vedremo come funzionano.
Nell'ultima sezione, abbiamo discusso di come ciascuno dei rapporti di trasmissione viene creato dalla trasmissione. Ad esempio, quando abbiamo discusso di overdrive, abbiamo detto:
In questa trasmissione, quando l'overdrive è innestato, un albero che è attaccato all'alloggiamento del convertitore di coppia (che è imbullonato al volano del motore) è collegato tramite frizione al portasatelliti. La ruota libera dell'ingranaggio solare piccolo e l'ingranaggio solare più grande è trattenuto dalla fascia overdrive. Nulla è collegato alla turbina; l'unico ingresso proviene dalla custodia del convertitore.
Per portare la trasmissione in overdrive, molte cose devono essere collegate e disconnesse da frizioni e bande. Il portasatelliti viene collegato all'alloggiamento del convertitore di coppia tramite una frizione. Il piccolo sole viene scollegato dalla turbina da una frizione in modo che possa ruotare liberamente. Il grande ingranaggio solare è tenuto all'alloggiamento da una fascia in modo che non possa ruotare. Ogni cambio di marcia innesca una serie di eventi come questi, con frizioni e bande diverse che si innestano e si disinseriscono. Diamo un'occhiata a una band.
In questa trasmissione ci sono due bande. Le fasce in una trasmissione sono, letteralmente, fasce d'acciaio che avvolgono sezioni del treno di ingranaggi e si collegano all'alloggiamento. Sono azionati da cilindri idraulici all'interno della scatola della trasmissione.
Nella figura sopra, puoi vedere una delle bande nell'alloggiamento della trasmissione. Il treno di ingranaggi viene rimosso. L'asta metallica è collegata al pistone, che aziona la fascia.
In alto si vedono i due pistoni che azionano le fasce. La pressione idraulica, convogliata nel cilindro da una serie di valvole, fa sì che i pistoni spingano sulle fasce, bloccando quella parte del treno di ingranaggi all'alloggiamento.
Le frizioni nella trasmissione sono un po' più complesse. In questa trasmissione ci sono quattro frizioni. Ogni frizione è azionata da fluido idraulico pressurizzato che entra in un pistone all'interno della frizione. Le molle assicurano che la frizione si rilasci quando la pressione si riduce. Di seguito puoi vedere il pistone e il tamburo della frizione. Nota la guarnizione in gomma sul pistone:questo è uno dei componenti che viene sostituito quando la tua trasmissione viene ricostruita.
La figura successiva mostra gli strati alternati di materiale di attrito della frizione e piastre di acciaio. Il materiale di attrito è scanalato all'interno, dove si blocca su uno degli ingranaggi. La piastra in acciaio è scanalata all'esterno, dove si blocca alla scatola della frizione. Questi dischi frizione vengono sostituiti anche quando la trasmissione viene ricostruita.
La pressione per le frizioni viene alimentata attraverso passaggi negli alberi. Il sistema idraulico controlla quali frizioni e bande vengono eccitate in un dato momento.
Può sembrare una cosa semplice bloccare la trasmissione e impedirne la rotazione, ma in realtà ci sono alcuni requisiti complessi per questo meccanismo. Innanzitutto, devi essere in grado di disinserirlo quando l'auto è su una collina (il peso dell'auto è appoggiato sul meccanismo). In secondo luogo, devi essere in grado di innestare il meccanismo anche se la leva non è allineata con l'ingranaggio. Terzo, una volta innestata, qualcosa deve impedire che la leva si sollevi e si disinnesti.
Il meccanismo che fa tutto questo è abbastanza pulito. Diamo prima un'occhiata ad alcune parti.
Il meccanismo del freno di stazionamento innesta i denti sull'uscita per tenere ferma l'auto. Questa è la sezione della trasmissione che si collega all'albero di trasmissione, quindi se questa parte non può girare, l'auto non può muoversi.
In alto si vede il meccanismo di parcheggio che sporge nell'alloggiamento in cui si trovano gli ingranaggi. Notare che ha i lati affusolati. Questo aiuta a disinnestare il freno di stazionamento quando sei parcheggiato su una collina:la forza del peso dell'auto aiuta a spingere il meccanismo di parcheggio fuori posto a causa dell'angolo del cono.
Questa asta è collegata a un cavo azionato dalla leva del cambio della tua auto.
Quando la leva del cambio è in posizione di parcheggio, l'asta spinge la molla contro la boccola conica. Se il meccanismo di parcheggio è allineato in modo che possa cadere in una delle tacche nella sezione dell'ingranaggio di uscita, la boccola conica spingerà il meccanismo verso il basso. Se il meccanismo è allineato su uno dei punti alti dell'uscita, la molla spingerà sulla boccola conica, ma la leva non si bloccherà in posizione finché l'auto non rotolerà leggermente e i denti non saranno allineati correttamente. Questo è il motivo per cui a volte la tua auto si muove un po' dopo averla parcheggiata e rilasciato il pedale del freno:deve rotolare un po' affinché i denti si allineino al punto in cui il meccanismo di parcheggio può cadere in posizione.
Una volta che l'auto è al sicuro nel parcheggio, la boccola tiene premuta la leva in modo che l'auto non salti fuori dal parcheggio se si trova su una collina.
Il cambio automatico della tua auto deve svolgere numerosi compiti. Potresti non renderti conto di quanti modi diversi operi. Ad esempio, ecco alcune delle caratteristiche di un cambio automatico:
Probabilmente hai già visto qualcosa che assomiglia a questo prima. È davvero il cervello del cambio automatico, che gestisce tutte queste funzioni e altro ancora. I passaggi che puoi vedere instradano il fluido a tutti i diversi componenti della trasmissione. I passaggi modellati nel metallo sono un modo efficiente per instradare il fluido; senza di essi sarebbero necessari molti tubi flessibili per collegare le varie parti della trasmissione. In primo luogo, discuteremo i componenti chiave del sistema idraulico; poi vedremo come funzionano insieme.
Le trasmissioni automatiche hanno una pompa ordinata, chiamata pompa a ingranaggi . La pompa si trova solitamente nel coperchio della trasmissione. Aspira il fluido da una coppa nella parte inferiore della trasmissione e lo alimenta all'impianto idraulico. Alimenta anche il radiatore della trasmissione e il convertitore di coppia.
L'ingranaggio interno della pompa si aggancia all'alloggiamento del convertitore di coppia, quindi gira alla stessa velocità del motore. L'ingranaggio esterno viene ruotato dall'ingranaggio interno e, mentre gli ingranaggi ruotano, il fluido viene aspirato dalla coppa su un lato della mezzaluna e spinto nell'impianto idraulico sull'altro lato.
Il governatore è una valvola intelligente che dice alla trasmissione quanto veloce sta andando l'auto. È collegato all'uscita, quindi più velocemente si muove l'auto, più velocemente gira il regolatore. All'interno del regolatore c'è una valvola a molla che si apre in proporzione alla velocità con cui gira il regolatore:più velocemente gira il regolatore, più la valvola si apre. Il fluido dalla pompa viene alimentato al regolatore attraverso l'albero di uscita.
Più veloce va l'auto, più si apre la valvola di regolazione e maggiore è la pressione del fluido che lascia passare.
Per cambiare correttamente, il cambio automatico deve sapere quanto sta lavorando il motore. Ci sono due modi diversi per farlo. Alcune auto hanno un semplice cavo di collegamento collegato a una valvola a farfalla nella trasmissione. Più si preme il pedale dell'acceleratore, maggiore è la pressione sulla valvola a farfalla. Altre auto utilizzano un modulatore di vuoto per applicare pressione alla valvola a farfalla. Il modulatore rileva la pressione del collettore, che aumenta quando il motore è sottoposto a un carico maggiore.
La valvola manuale è quello a cui si aggancia la leva del cambio. A seconda della marcia selezionata, la valvola manuale alimenta i circuiti idraulici che inibiscono alcune marce. Ad esempio, se la leva del cambio è in terza marcia, alimenta un circuito che impedisce l'innesto dell'overdrive.
Valvole del cambio fornire pressione idraulica alle frizioni e alle fasce per innestare ciascuna marcia. Il corpo valvola della trasmissione contiene diverse valvole del cambio. La valvola del cambio determina quando passare da una marcia all'altra. Ad esempio, la valvola del cambio da 1 a 2 determina quando passare dalla prima alla seconda marcia. La valvola del cambio è pressurizzata con il fluido dal regolatore da un lato e la valvola a farfalla dall'altro. Sono alimentati con il fluido dalla pompa e conducono quel fluido a uno dei due circuiti per controllare in quale marcia l'auto gira.
La valvola del cambio ritarderà un cambio se l'auto sta accelerando rapidamente. Se l'auto accelera leggermente, il cambio avverrà a una velocità inferiore. Discutiamo di cosa succede quando l'auto accelera dolcemente.
All'aumentare della velocità dell'auto, la pressione del regolatore aumenta. Ciò forza la valvola del cambio fino a quando il circuito della prima marcia non viene chiuso e il circuito della seconda marcia si apre. Dal momento che l'auto sta accelerando con l'acceleratore leggero, la valvola a farfalla non applica molta pressione contro la valvola del cambio.
Quando l'auto accelera rapidamente, la valvola a farfalla applica più pressione contro la valvola del cambio. Ciò significa che la pressione del regolatore deve essere maggiore (e quindi la velocità del veicolo deve essere più veloce) prima che la valvola del cambio si sposti abbastanza da innestare la seconda marcia.
Ogni valvola del cambio risponde a un particolare intervallo di pressione; quindi quando l'auto va più veloce, la valvola del cambio da 2 a 3 prenderà il sopravvento, perché la pressione del regolatore è abbastanza alta da far scattare quella valvola.
Le trasmissioni a controllo elettronico, che appaiono su alcune auto più recenti, utilizzano ancora l'idraulica per azionare le frizioni e le fasce, ma ogni circuito idraulico è controllato da un solenoide elettrico. Ciò semplifica l'impianto idraulico della trasmissione e consente schemi di controllo più avanzati.
Nell'ultima sezione abbiamo visto alcune delle strategie di controllo utilizzate dalle trasmissioni a controllo meccanico. Le trasmissioni controllate elettronicamente hanno schemi di controllo ancora più elaborati. Oltre a monitorare la velocità del veicolo e la posizione dell'acceleratore, il controller della trasmissione può monitorare il regime del motore, se viene premuto il pedale del freno e persino il sistema di frenata antibloccaggio.
Utilizzando queste informazioni e una strategia di controllo avanzata basata sulla logica fuzzy, un metodo per programmare i sistemi di controllo utilizzando il ragionamento di tipo umano, le trasmissioni controllate elettronicamente possono fare cose come:
Parliamo di quest'ultima caratteristica:inibire la marcia superiore quando si entra in una svolta su una strada tortuosa. Diciamo che stai guidando su una strada di montagna in salita e tortuosa. Quando guidi sui tratti rettilinei della strada, la trasmissione passa alla seconda marcia per darti abbastanza accelerazione e potenza in salita. Quando arrivi ad una curva rallenti, staccando il piede dall'acceleratore ed eventualmente azionando il freno. La maggior parte delle trasmissioni passa alla terza marcia, o addirittura all'overdrive, quando togli il piede dall'acceleratore. Quindi, quando acceleri fuori dalla curva, passeranno di nuovo alla marcia inferiore. Ma se guidassi un'auto con cambio manuale, probabilmente lasceresti l'auto nella stessa marcia per tutto il tempo. Alcuni cambi automatici con sistemi di controllo avanzati sono in grado di rilevare questa situazione dopo aver percorso un paio di curve e "imparare" a non cambiare marcia.
Per ulteriori informazioni sulle trasmissioni automatiche e argomenti correlati, controlla i collegamenti nella pagina successiva.
Pubblicato originariamente:29 novembre 2000
