Jak działa automatyczna skrzynia biegów?

Klasyczna automatyczna skrzynia biegów przekazuje moment z silnika przez konwerter hydrokinetyczny, a następnie dobiera przełożenie za pomocą przekładni planetarnej oraz sterowanych hydraulicznie sprzęgieł i hamulców. Sterownik stale analizuje między innymi prędkość Twojego auta, obciążenie silnika i to, jak mocno wciskasz pedał przyspieszenia, po czym zleca zmianę przełożenia bez żadnego udziału kierowcy.

W tym tekście bierzemy pod lupę klasyczną przekładnię hydrokinetyczną. Choć potocznie mianem automatu określa się wszystko, co nie ma pedału sprzęgła, rynek oferuje też inne rozwiązania mechaniczne, o czym szerzej mówi nasz przewodnik po automatycznych skrzyniach. Skupmy się jednak na fundamentach. Zobacz, jak zbudowany jest i jak pracuje klasyczny automat z przekładnią planetarną.

Budowa automatycznej skrzyni biegów: z jakich elementów składa się klasyczny automat?

Podstawowy tor przeniesienia momentu w automacie tworzą: konwerter hydrokinetyczny, wał wejściowy, zestawy planetarne, pakiety sprzęgieł i hamulców wielotarczowych oraz wał wyjściowy. Całością zawiaduje układ sterowania składający się z pompy oleju, bloku hydraulicznego z elektrozaworami oraz komputera (TCU). Kluczowym elementem łączącym mechanikę ze sterowaniem jest płyn ATF, który jednocześnie przenosi ciśnienie robocze, smaruje części i chłodzi wnętrze przekładni.

Konwerter hydrokinetyczny: połączenie silnika ze skrzynią

Konwerter hydrokinetyczny to metalowa puszka zamontowana między silnikiem a samą skrzynią. Różni się on od prostego sprzęgła hydrokinetycznego obecnością statora, który pozwala na zwielokrotnienie momentu obrotowego. Wewnątrz niego znajdują się trzy wirniki: pompa połączona bezpośrednio z silnikiem, turbina połączona z wałem wejściowym skrzyni oraz umieszczona między nimi kierownica (stator). Przestrzeń wewnątrz jest całkowicie wypełniona płynem ATF.

Gdy stoisz na światłach w pozycji D, silnik pracuje na wolnych obrotach. Pompa kręci się powoli i przekazuje napęd do turbiny. Utrzymujesz auto w miejscu dzięki wciśniętemu pedałowi hamulca, a po jego zwolnieniu pojazd zaczyna powoli pełzać. Przy dodaniu gazu obracająca się pompa mocniej tłoczy płyn na łopatki turbiny.

Jeśli różnica prędkości obu elementów jest duża, stator zmienia kierunek przepływu powracającego płynu, co pozwala chwilowo zwiększyć moment obrotowy trafiający na turbinę. W trakcie ustabilizowanej jazdy przy stałej prędkości specjalne sprzęgło lock-up spina fizycznie obudowę konwertera z turbiną. Eliminuje to poślizg płynu i minimalizuje straty energii układu napędowego.

Przekładnia planetarna, sprzęgła i hamulce

Sercem klasycznej przekładni jest zestaw planetarny. Jego budowa przypomina układ słoneczny: w centrum znajduje się koło słoneczne, wokół niego krążą mniejsze koła zębate (satelity) zamocowane na tzw. jarzmie, a całość opina od zewnątrz uzębione wewnątrz koło pierścieniowe. Połączenie kilku takich zestawów tworzy całą paletę dostępnych przełożeń.

Do zmiany biegów służą sprzęgła i hamulce wielotarczowe. Różnica między nimi polega na punkcie oparcia: sprzęgła łączą ze sobą wybrane, ruchome elementy zestawu planetarnego, natomiast hamulce spinają dany człon z nieruchomą obudową skrzyni. Zmieniając kombinację zaciśniętych i luźnych pakietów, skrzynia uzyskuje różne przełożenia bez fizycznego przesuwania jakichkolwiek kół zębatych względem siebie.

Hydraulika i elektronika sterująca

O tym, które sprzęgła i hamulce są w danej chwili zaciśnięte, decyduje ciśnienie płynu ATF. Pompa oleju (napędzana najczęściej przez obudowę konwertera) nieustannie tłoczy ciecz, generując odpowiednie ciśnienie. Kierowaniem tego ciśnienia zarządza blok hydrauliczny, czyli labirynt precyzyjnych kanałów naszpikowany elektrozaworami.

Mózgiem operacji jest sterownik skrzyni biegów (TCU). Zbiera on sygnały o prędkości wałów, szybkości pojazdu, położeniu pedału gazu, aktualnym obciążeniu auta oraz temperaturze płynu. Na tej podstawie TCU prądem steruje elektrozaworami, otwierając i zamykając ścieżki dla płynu ATF, który dociska tłoki w odpowiednich pakietach wielotarczowych.

Jak moment obrotowy przepływa przez automatyczną skrzynię biegów?

Podstawowa droga momentu obrotowego biegnie od wału korbowego silnika, przez obudowę i pompę konwertera do jego turbiny, skąd trafia na wał wejściowy skrzyni. Następnie siła przepływa przez aktywny w danym momencie zestaw planetarny, by finalnie trafić na wał wyjściowy. Zmiana biegu zwykle polega na zmianie konfiguracji sprzęgieł i hamulców sterowanych hydraulicznie. W wielu konstrukcjach odbywa się to przez skoordynowane obniżenie ciśnienia w jednym elemencie i podniesienie go w innym, ale dokładny przebieg zależy od układu przekładni.

Ruszanie: przepływ ATF uruchamia turbinę

Zanim zdejmiesz nogę z hamulca, silnik pracuje, co oznacza, że pompa konwertera już się obraca. Turbina połączona ze skrzynią jest jednak zablokowana przez zatrzymane koła samochodu. Dzięki temu, że między oboma wirnikami nie ma mechanicznego styku, lecz jedynie płyn ATF, poślizg cieczy pozwala silnikowi pracować bez gaśnięcia.

Gdy dodajesz gazu, prędkość obrotowa pompy gwałtownie rośnie. Płyn zaczyna z dużą siłą uderzać w łopatki turbiny, przekazując na nią rosnący moment obrotowy. Siła ta, trafiając na wał wejściowy skrzyni i dalej, przez zapięte przez sterownik elementy układu planetarnego (przełożenie pierwszego biegu), płynnie wprawia auto w ruch. Za skrzynią moment trafia na dalsze elementy układu napędowego: wał napędowy, mechanizm różnicowy i półosie, które rozkręcają koła. Więcej o rozdziale napędu przeczytasz w tekście o rodzajach napędów.

Zmiana przełożenia: przełączenie elementów ciernych

Gdy prędkość auta i obroty silnika rosną, komputer uznaje, że czas na wyższy bieg. Sterownik TCU wysyła impuls do odpowiednich elektrozaworów w bloku hydraulicznym. Jeden zawór zaczyna wypuszczać płyn ATF, zwalniając nacisk z hamulca lub sprzęgła odpowiedzialnego za pierwszy bieg, podczas gdy inny zawór błyskawicznie wtłacza płyn do pakietu zapinającego dwójkę.

Schemat przepływu momentu obrotowego i energii

• Ruszanie: wał korbowy silnika ➔ obudowa i pompa konwertera ➔ przepływ cieczy ATF i praca statora ➔ turbina konwertera ➔ wał wejściowy skrzyni ➔ zestaw planetarny ➔ wał wyjściowy.
• Zmiana biegu: wał korbowy silnika ➔ konwerter lub sprzęgło lock-up ➔ wał wejściowy skrzyni ➔ kontrolowane przekazanie obciążenia ze zwalnianego na załączany pakiet cierny (uruchamiane równoległym sygnałem TCU do elektrozaworów) ➔ nowa konfiguracja przekładni planetarnej ➔ wał wyjściowy.
• Jazda z załączonym lock-up: wał korbowy silnika ➔ załączone sprzęgło lock-up ➔ turbina i wał wejściowy ➔ wybrane przełożenie ➔ wał wyjściowy.

Jazda ustalona: zapięcie sprzęgła lock-up

Podczas dynamicznego ruszania konwerter hydrokinetyczny wykonuje ogromną pracę, ale jego konstrukcja generuje pewne straty energii i poślizg hydrauliczny, ponieważ pompa kręci się nieco szybciej niż turbina. Gdy jednak osiągniesz docelową prędkość (np. podczas jazdy trasą z prędkością 90 km/h) i wyrównasz tempo wejścia oraz wyjścia konwertera, TCU wysyła sygnał do zapięcia sprzęgła lock-up.

Ciśnienie ATF dociska okładzinę cierną wewnątrz konwertera, fizycznie sklejając pompę i turbinę. Od tego momentu siła z silnika trafia do skrzyni przez sam konwerter w skali 1:1, całkowicie eliminując poślizg cieczy na wejściu i obniżając spalanie paliwa. Zestaw planetarny wciąż może przy tym pracować na przełożeniu innym niż bezpośrednie. Gdy zechcesz nagle przyspieszyć, zwolnić lub zredukować bieg, TCU błyskawicznie zmniejszy docisk lub całkowicie rozepnie lock-up.

Jak działa przekładnia planetarna w skrzyni automatycznej?

Przełożenie w skrzyni planetarnej zależy wprost od tego, który z trzech podstawowych członów (koło słoneczne, jarzmo z satelitami, koło pierścieniowe) jest napędzany, który w danej chwili unieruchomiono, a z którego moment wędruje na koła. Jeśli z kolei zablokujesz ze sobą dowolne dwa z nich, cały układ zaczyna obracać się jako jedna bryła.

Redukcja i zwiększenie momentu

Pojedynczy zestaw planetarny może w prosty sposób generować bieg krótki (redukcję), dający siłę na kołach. Wyobraź sobie, że wał wejściowy ze skrzyni napędza centralne koło słoneczne. Jednocześnie hamulec wielotarczowy chwyta na sztywno za zewnętrzne koło pierścieniowe. W takiej sytuacji kręcące się w środku słońce zmusza satelity do toczenia się po wnętrzu zablokowanego pierścienia, pociągając za sobą jarzmo (które połączone jest z wyjściem).

Skutek? Jarzmo kręci się w tym samym kierunku, ale znacznie wolniej niż napędzane koło słoneczne. Zyskujesz redukcję prędkości przy jednoczesnym wzroście momentu obrotowego. Konkretny wynik zależy bezpośrednio od fizycznej liczby zębów kół słonecznego i pierścieniowego. Oznacza to, że nie istnieje uniwersalna proporcja przełożeń dla wszystkich zestawów.

Przełożenie bezpośrednie 1:1

Aby auto mogło rozwijać wyższe prędkości z zachowaniem niskich obrotów silnika, potrzebuje biegu bezpośredniego. Przekładnia planetarna osiąga go bardzo prosto. Wystarczy, że układ sterowania sprzęgnie ze sobą dowolne dwa elementy jednego zestawu, na przykład koło słoneczne z jarzmem.

Zablokowanie tych dwóch części sprawia, że cały układ planetarny (słońce, satelity i pierścień zewnętrzny) zamienia się w jedną, solidną bryłę i nie ma żadnego obrotu części względem siebie. Prędkość wału wejściowego jest równa prędkości wału wyjściowego, co w efekcie daje równe przełożenie 1:1, powszechnie spotykane na średnich, np. czwartych lub piątych biegach.

Jak zestaw planetarny uzyskuje bieg wsteczny?

Kierunek obrotu też można zmienić bez dokładania osobnej, suwanej zębatki znanej z manualnych skrzyń. Jeśli wprowadzisz napęd na koło słoneczne, a blokada hydrauliczna na sztywno ściśnie i zatrzyma jarzmo z satelitami, zmieni się cały przepływ siły.

Napędzane zębatki słońca zmuszają satelity (stojące w miejscu w przestrzeni) do obracania się wokół własnych osi, a te z kolei zazębiają się i wprawiają w ruch koło pierścieniowe – wymuszając na nim obrót w przeciwnym kierunku. Ten ruch trafia na wyjście skrzyni, dając autu bieg wsteczny. Pamiętaj jednak, że we współczesnych konstrukcjach 6-, 8- czy 9-biegowych producenci łączą ze sobą kilka takich zestawów, dlatego finalna droga przełożeń jest znacznie bardziej skomplikowana.

Skąd automat wie, kiedy zmienić przełożenie?

Sterownik TCU bez przerwy zestawia Twoje intencje jako kierowcy z rzeczywistymi obciążeniami, którym musi sprostać silnik. Delikatne muskanie gazu na prostej drodze sprawi, że sterownik szybko zapnie wyższe przełożenia. Z kolei mocne wciśnięcie pedału do oporu przedłuży jazdę na danym biegu lub natychmiast wymusi redukcję. Dodatkowo czujniki sprawdzają też same wały w skrzyni, by komputer natychmiast upewnił się, czy wybrane pakiety na pewno nie ślizgają się podczas pracy.

Sygnały wykorzystywane przez sterownik TCU

Mózg skrzyni analizuje naraz kilkanaście zmiennych. Interesują go m.in.: prędkość obrotowa silnika, prędkości wejścia i wyjścia ze skrzyni, to, jak mocno i w jakim tempie wciskasz prawy pedał, oraz ogólne obciążenie auta (np. podczas jazdy pod górę). Bada też to, czy trzymasz nogę na hamulcu oraz jak gorący jest płyn ATF.

Co ważne, matematyczne porównanie prędkości wału przed skrzynią z prędkością tego na wyjściu daje bardzo jasny obraz sytuacji. Komputer od razu wie, jakie aktualnie przełożenie ma mechanika, i dostaje ostrzeżenie zwrotne, jeśli zapięty pakiet cierny nie trzyma odpowiedniego ciśnienia.

Od decyzji sterownika do zmiany biegu

Gdy czujniki wskażą właściwy moment i TCU postanowi zareagować (np. zmienić bieg z trójki na czwórkę), wysyła elektryczny sygnał do konkretnego elektrozaworu zamontowanego w bloku hydraulicznym. Działając jak małe kraniki, zawory te płynnie upuszczają albo wtłaczają olej ATF do odpowiednich kanałów.

Fala ciśnienia trafia ostatecznie na metalowe tłoki. Tłoki te dociskają zestaw tarcz ciernych i przekładek stalowych, spinając je razem, albo uwalniają je, odcinając zablokowany członek od ruchu. Dopiero w tym momencie fizyczna architektura zestawu planetarnego zmienia swoją mapę połączeń, dopinając zmianę przełożenia na oczekiwany bieg.

Co dzieje się w automacie podczas ruszania, przyspieszania i zatrzymania?

Podczas ruszania konwerter hydrokinetyczny płynnie przenosi moment obrotowy za pomocą płynu. Przy przyspieszaniu pakiety cierne zmieniają konfigurację zestawów planetarnych, a przed zatrzymaniem rozłącza się sprzęgło lock-up, pozwalając na swobodną pracę konwertera. Mechanicznie skrzynia nieustannie dobiera zaciśnięcie odpowiednich sprzęgieł i hamulców, by utrzymać silnik w optymalnym zakresie obrotów. Więcej o zachowaniu układu z perspektywy kabiny przeczytasz w tekście oznaczenia na wybieraku automatu.

Ruszanie i przyspieszanie

W momencie startu masz największą fizyczną różnicę prędkości między wirnikiem na silniku a turbiną przekładni. Wtedy poślizg płynu wewnątrz konwertera gwarantuje Ci bardzo płynny start. Jest to znak rozpoznawczy starych i nowych klasycznych automatów. W miarę nabierania kilometrów na godzinę ta różnica maleje.

Skrzynia przerzuca na kolejne biegi, co w świecie mechanicznym oznacza coraz mniejszą początkową redukcję obrotów. Na pewnym etapie, gdy ruszanie zmienia się w jazdę przelotową z umiarkowanym wciskaniem gazu, zapinane jest mechaniczne sprzęgło lock-up konwertera.

Redukcja po mocnym dodaniu gazu

Gdy zapragniesz kogoś wyprzedzić i dociśniesz pedał gwałtownie, czujniki dają sygnał „potrzebny moment obrotowy i wyższe obroty”. TCU najczęściej decyduje się na opuszczenie przełożenia o jeden lub kilka biegów (kickdown).

By przy zmianie na dużo krótsze przełożenie nie doszło do szarpnięcia całym nadwoziem, TCU może na krótką chwilę rozłączyć lub popuścić moc sprzęgła lock-up. Obroty silnika rosną, moment gwałtownie trafia do odblokowanej przekładni, a auto żwawo nabiera prędkości.

Zwalnianie i postój

Przy odpuszczeniu gazu i dojeżdżaniu do świateł TCU rozkłada to samo działanie odwrotnie – obniża biegi, dopasowując redukcję do gasnącej prędkości. Lock-up zostaje odpięty przed zatrzymaniem. Kiedy samochód całkowicie się zatrzymuje, mimo że skrzynia dalej tkwi w pozycji D (Drive), silnik nie gaśnie.

Dzieje się tak właśnie dzięki poślizgowi konwertera; płyn kotłuje się między łopatkami i pozwala silnikowi na minimalne i ciągłe opory, podczas gdy same koła i wyjście skrzyni spoczywają kompletnie nieruchomo.

Czy każda automatyczna skrzynia działa w ten sam sposób?

Nie każda przekładnia pozbawiająca Cię obowiązku wciskania sprzęgła to w rzeczywistości układ hydrokinetyczny z zespołami planetarnymi. Cały opisany wyżej proces to zasada działania klasycznego automatu. Często spotykane skrzynie dwusprzęgłowe (jak DSG), przekładnie bezstopniowe CVT czy proste skrzynie zautomatyzowane to odmienne konstrukcje. Ich sercem nie jest konwerter hydrokinetyczny współpracujący z zespołami planetarnymi.

Podsumowując, działanie automatu opiera się na czterech filarach. Konwerter pobiera siłę obrotową z silnika. Zestawy planetarne decydują o matematyce biegu (prędkość i moment). Sterowane płynem sprzęgła wielotarczowe określają aktualną konfigurację. Natomiast wszystkim zarządza szybki komputer i gąszcz kanałów pompy hydraulicznej. Jeżeli interesują Cię technikalia, sprawdź też, jak prawidłowo jeździć automatem, aby ta kosztowna maszyneria służyła długo i niezawodnie.