Automatyczne skrzynie biegów

Geneza i zastosowanie.

Historia automatycznych skrzyń biegów sięga początków XX wieku, kiedy to inżynierowie zaczęli eksperymentować z metodami automatycznego zmieniania biegów w samochodach. Pierwsze próby miały miejsce w latach 20. i 30. XX wieku, jednak to dopiero w 1939 roku General Motors wprowadziło na rynek pierwszą prawdziwie automatyczną skrzynię biegów, znaną jako Hydra-Matic. Było to przełomowe osiągnięcie, które umożliwiło płynne zmienianie biegów bez konieczności ręcznej interwencji kierowcy.

Hydra-Matic szybko zyskała popularność, a jej konstrukcja była wykorzystywana przez wiele innych producentów samochodów. W latach 50. i 60. automatyczne skrzynie biegów stały się coraz bardziej powszechne w Stanach Zjednoczonych, stając się symbolem nowoczesności i wygody. W Europie i Azji ich popularność rosła nieco wolniej, głównie ze względu na inne preferencje kierowców oraz różnice w konstrukcji dróg i stylu jazdy.

Lata 70. i 80. przyniosły dalszy rozwój technologii automatycznych skrzyń biegów. Wprowadzono bardziej zaawansowane systemy hydrauliczne oraz pierwsze wersje elektronicznego sterowania, co pozwoliło na jeszcze lepszą kontrolę nad zmianą biegów i obniżyło zużycie paliwa. W tym okresie skrzynie automatyczne stały się bardziej niezawodne i dostępne w szerokiej gamie pojazdów, od samochodów osobowych po ciężarówki i autobusy.

W latach 90. nastąpiła prawdziwa rewolucja technologiczna, kiedy to komputery i elektronika zaczęły odgrywać kluczową rolę w zarządzaniu pracą skrzyni biegów. Pojawiły się pierwsze elektronicznie sterowane skrzynie automatyczne, które mogły dostosowywać swoje działanie do warunków drogowych i stylu jazdy kierowcy. Dzięki temu automatyczne skrzynie biegów stały się jeszcze bardziej wydajne i przyjazne dla użytkownika.

W XXI wieku technologia automatycznych skrzyń biegów nadal się rozwija. Współczesne skrzynie oferują wiele trybów pracy, w tym tryby sportowe, ekonomiczne czy off-road, a także systemy umożliwiające manualne sterowanie za pomocą łopatek umieszczonych przy kierownicy. Pojawiły się także nowe konstrukcje, takie jak bezstopniowe skrzynie CVT (Continuously Variable Transmission) oraz dwusprzęgłowe skrzynie DCT (Dual-Clutch Transmission), które łączą zalety skrzyń automatycznych i manualnych.

Budowa i zasada działania.

Klasyczne skrzynie automatyczne (z konwerterem i przekładniami planetarnymi).

Klasyczna automatyczna skrzynia biegów, często nazywana także skrzynią planetarną, jest złożonym mechanizmem, który składa się z kilku kluczowych komponentów. Każdy z tych elementów odgrywa istotną rolę w przekazywaniu mocy z silnika na koła, jednocześnie umożliwiając płynną zmianę przełożeń bez interwencji kierowcy.

Serce klasycznej automatycznej skrzyni biegów stanowi zespół przekładni planetarnych. Każda z nich składa się z trzech głównych części: koła słonecznego, kół planetarnych (zwanych również satelitami) oraz koła pierścieniowego. Koło słoneczne znajduje się w centrum, koła planetarne (satelity) obracają się wokół niego i są połączone z kołem pierścieniowym. Taki układ pozwala na różne kombinacje przełożeń w zależności od tego, które z kół jest napędzane, które zatrzymane, a które przekazuje moc.

Za kontrolę przepływu mocy i zmianę biegów odpowiadają sprzęgła i hamulce, które są uruchamiane hydraulicznie. W klasycznej skrzyni automatycznej znajduje się pompa oleju, która dostarcza olej pod ciśnieniem do różnych części skrzyni, w tym do sprzęgieł i hamulców. W momencie, gdy zmiana biegu jest wymagana, odpowiednie sprzęgło jest włączane lub wyłączane, co pozwala na zmianę przełożenia w przekładni planetarnej.

Kluczowym elementem klasycznej automatycznej skrzyni biegów jest również konwerter momentu obrotowego. Znajduje się on między silnikiem a skrzynią biegów i pełni rolę sprzęgła hydraulicznego. Konwerter momentu obrotowego składa się z trzech głównych części: pompy, turbiny i statora. Pompa jest połączona z wałem korbowym silnika za pomocą koła zamachowego, turbina z wałem wejściowym skrzyni biegów, a stator znajduje się pomiędzy nimi. W momencie gdy silnik pracuje pompa wprawia w ruch olej, który przenosi moc na turbinę, po czym stator kieruje przepływ powracającego oleju w taki sposób, aby zwiększyć efektywność przenoszenia momentu obrotowego.

Sterowanie pracą klasycznej automatycznej skrzyni biegów odbywa się za pomocą układu hydraulicznego oraz elektronicznego. Układ hydrauliczny zarządza przepływem płynu do sprzęgieł i hamulców, natomiast układ elektroniczny monitoruje różne parametry jazdy, takie jak prędkość pojazdu, obciążenie silnika czy położenie przepustnicy. Na podstawie tych danych komputer sterujący (TCU – Transmission Control Unit) decyduje, kiedy i jakie przełożenie należy wybrać. Jednostka hydrauliczna pozbawiona sterownika elektronicznego nazywana jest blokiem zaworowym, natomiast mechatroniką nazywany jest podzespół, który integruje w sobie blok zaworowy oraz elektroniczny sterownik automatycznej skrzyni biegów.

Podsumowując, klasyczna automatyczna skrzynia biegów jest zaawansowanym technicznie urządzeniem, które łączy mechaniczne, hydrauliczne i elektroniczne komponenty w celu zapewnienia płynnej i efektywnej zmiany przełożeń. Przekładnia planetarna, sprzęgła i hamulce, konwerter momentu obrotowego oraz układy sterujące współpracują ze sobą, aby zapewnić komfort i wygodę jazdy.

Bezstopniowe skrzynie automatyczne (CVT).

Skrzynia CVT (Continuously Variable Transmission), czyli bezstopniowa skrzynia biegów, działa na zasadzie płynnej zmiany przełożeń, co odróżnia ją od tradycyjnych skrzyń manualnych i automatycznych. Kluczowym elementem konstrukcji CVT jest łańcuch oraz dwa zestawy kół stożkowych (tzw. wariatory).

Łańcuch jest wykonany z wytrzymałego metalu lub kompozytów i przenosi moc z silnika na koła napędowe. Każda para kół stożkowych, z których jedna jest połączona z wałem wejściowym, a druga z wałem wyjściowym, składa się z dwóch stożkowych talerzy, które mogą przesuwać się wzdłuż osi wału. Kiedy koła zmieniają swoją odległość od siebie, zmienia się średnica czynna, po której porusza się łańcuch. Zmniejszenie odległości między talerzami powoduje, że łańcuch przesuwa się na większą średnicę, co zwiększa przełożenie, natomiast zwiększenie odległości powoduje, że łańcuch przesuwa się na mniejszą średnicę, co zmniejsza przełożenie.

Ruch stożków względem siebie jest kontrolowany przez układ hydrauliczny, który dostosowuje średnicę czynną na której pracuje łańcuch, umożliwiając płynne zmiany przełożenia. Sterowanie skrzynią CVT odbywa się za pomocą zaawansowanego systemu elektronicznego, który monitoruje parametry pracy silnika, prędkość pojazdu, położenie pedału przyśpieszenia oraz inne czynniki. Na podstawie tych danych system decyduje o optymalnym ustawieniu wariatorów, aby zapewnić najlepsze możliwe przełożenie dla danej sytuacji.

W skrzyniach CVT można spotkać przekładnię planetarną, która umożliwia dodatkowe zmiany przełożeń lub realizowanie trybów pracy, takich jak jazda wstecz. Przekładnia planetarna zwiększa elastyczność i zakres pracy skrzyni CVT.

Dzięki swojej budowie skrzynia CVT oferuje elastyczne i bezstopniowe zmiany przełożeń, co przekłada się na płynniejszą jazdę, lepsze osiągi oraz optymalizację zużycia paliwa. CVT jest szczególnie popularna w pojazdach hybrydowych i miejskich, gdzie komfort i efektywność są priorytetami. Układ chłodzenia i smarowania skrzyni CVT zapewnia odpowiednie smarowanie i chłodzenie kół stożkowych i łańcucha, minimalizując tarcie i zużycie oraz zapewniając niezawodność i trwałość skrzyni biegów.

Dwusprzęgłowe skrzynie automatyczne (DCT/DSG).

Automatyczna skrzynia dwusprzęgłowa, znana również jako DCT (Dual-Clutch Transmission) lub DSG (Direct-Shift Gearbox), jest zaawansowanym mechanizmem, który łączy cechy zarówno automatycznych, jak i manualnych skrzyń biegów. 

Podstawowym elementem skrzyni DCT są dwa sprzęgła: jedno odpowiedzialne za biegi parzyste (2, 4, 6), a drugie za biegi nieparzyste (1, 3, 5, 7). Sprzęgła te działają na zasadzie sprzęgieł mokrych (zanurzone w oleju) lub suchych, w zależności od konstrukcji i przeznaczenia skrzyni. Praca sprzęgieł sterowana jest przez elektronikę, co umożliwia ich precyzyjne załączanie i rozłączanie.

Kolejnym istotnym komponentem są dwa wałki wejściowe, z których jeden jest umieszczony wewnątrz drugiego. Jeden wałek jest odpowiedzialny za biegi nieparzyste, a drugi za biegi parzyste. Dzięki temu możliwe jest równoczesne przygotowanie kolejnego biegu do załączenia, co minimalizuje przerwy w dostarczaniu mocy podczas zmiany biegów.

Mechanizm zmiany biegów w DCT składa się z zestawu przekładni zębatych, które są umieszczone na obu wałkach wejściowych. Przekładnie te są odpowiedzialne za różne przełożenia, a ich załączanie i rozłączanie jest kontrolowane przez obwód hydrauliczny oraz mechanizmy synchronizacyjne. Zmiana biegów odbywa się poprzez przesunięcie widełek i spięcie ze sobą odpowiednich kół zębatych, co umożliwia wybór wymaganego przełożenia.

Sterowanie pracą skrzyni dwusprzęgłowej odbywa się za pomocą zaawansowanego systemu elektronicznego, znanego jako TCU (Transmission Control Unit). TCU monitoruje różne parametry jazdy, takie jak prędkość pojazdu, obciążenie silnika, położenie przepustnicy oraz preferencje kierowcy (tryb jazdy). Na podstawie tych danych TCU decyduje, które sprzęgło ma być załączone, kiedy ma nastąpić zmiana biegu oraz jakie przełożenie wybrać, aby zapewnić optymalne osiągi i ekonomię jazdy.

W skrzyni dwusprzęgłowej bardzo ważnym elementem jest również układ smarowania oraz chłodzenia oleju. W przypadku sprzęgieł mokrych, olej jest używany do smarowania i chłodzenia sprzęgieł, co zapewnia ich dłuższą żywotność i niezawodność. Olej krąży w zamkniętym obiegu, a pompa i chłodnica utrzymują jego odpowiednie ciśnienie i temperaturę.

Proces regeneracji.

Automatyczna skrzynia biegów jest w pierwszej kolejności wstępnie oczyszczana, a następnie rozkręcana na części. Po rozmontowaniu w specjalnych urządzeniach takich jak myjki chemiczne i ultradźwiękowe oczyszczane są jej części składowe. Czyste części są następnie dokładnie sprawdzane pod kątem zużycia, uszkodzeń i innych wad. Elementy, które nie spełniają wymagań, są wymieniane na nowe lub regenerowane.

Kolejnym etapem jest wymiana zużytych lub uszkodzonych części. W klasycznej automatycznej skrzyni biegów są to zwykle tarcze sprzęgieł i hamulców, taśmy hamulcowe, uszczelki, pierścienie uszczelniające, zawory hydrauliczne oraz łożyska. W niektórych przypadkach konieczna może być regeneracja lub wymiana pompy oleju, a także wymiana elementów przenoszących moment obrotowy.

W skrzyniach typu DCT/DSG sprzęgło podwójne zawsze wymieniane jest na fabrycznie nowe. Częstym problemem są również uszkodzenia mechaniczne lub elektroniczne mechatroniki, uszkodzenia łożysk. Rzadziej wymiany wymagają synchronizatory, koła zębate i pozostałe elementy mechaniczne. Podczas procesu regeneracji zawsze wymieniane są wszystkie filtry oleju zastosowane w danej skrzyni. Warto zaznaczyć, że oprócz filtrów oleju dostępnych z zewnątrz, niektóre modele skrzyń posiadają również filtry umieszczone wewnątrz obudowy, których wymiana nie jest możliwa bez rozmontowania skrzyni.

Wymontowany z automatycznej skrzyni biegów sterownik hydrauliczny (blok zaworowy/mechatronika) również jest rozmontowany na części składowe i dokładnie czyszczony. Po wymianie uszczelnień oraz innych zużytych lub uszkodzonych elementów zostaje on zmontowany po czym testowany jest na specjalnym stole probierczym. Dynamicznie badane są parametry sterownika w teście odwzorowującym jego działanie podczas pracy w skrzyni biegów – przede wszystkim ciśnienie oleju trafiającego do poszczególnych elementów wykonawczych, które sterują zmianą przełożeń. 

Konwerter, który jest częścią klasycznej automatycznej skrzyni biegów (oraz niektórych konstrukcji skrzyń typu CVT), również przechodzi proces regeneracji. Polega on na rozcięciu konwertera, oczyszczeniu wszystkich elementów składowych, a następnie ich inspekcji. Wymianie podlegają wszystkie uszczelnienia, zużyte lub uszkodzone części takie jak n.p. okładzina lub tarcze sprzęgła lock-up, łożyska, sprzęgło jednokierunkowe statora itp. Po montażu nowych elementów konwerter jest przygotowywany do spawania, które wykonuje się na specjalnym, zautomatyzowanym stanowisku. Następnie sprawdzana jest szczelność konwertera, po czym mierzone, i w razie potrzeby korygowane jest jego wyważenie.

Końcowym etapem regeneracji automatycznej skrzyni biegów jest jej kompletacja oraz ocena szczelności oraz pracy podzespołów, a także końcowa kontrola jakości.

Przyczyny i rodzaje uszkodzeń

Objawy, które mogą świadczyć o uszkodzeniu automatycznej skrzyni biegów:

1. Brak płynnej zmiany biegów – opóźnienia, szarpnięcia lub zbyt gwałtowna zmiana biegów.
2. Brak zmiany biegów lub zmiana biegów w ograniczonym zakresie, brak biegów.
3. Brak reakcji lub opóźniona reakcja podczas przełączania między trybami P-R-N-D.
4. Szarpnięcia lub uderzenia podczas przełączania między trybami P-R-N-D.
5. Ślizganie napędu – silnik zwiększa obroty, ale pojazd nie zwiększa prędkości odpowiednio do prędkości silnika.
6. Brak przeniesienia napędu – silnik zwiększa obroty, ale pojazd nie rusza z miejsca.
7. Hałas, wibracje słyszalne/odczuwalne podczas jazdy.
8. Wyciek oleju ze skrzyni.

Najczęstsze uszkodzenia automatycznych skrzyń biegów to:

1. Zużycie tarcz ciernych, uszkodzenie sprzęgieł i hamulców
2. Uszkodzenie konwertera
3. Zużycie lub uszkodzenie pompy oleju
4. Uszkodzenie uszczelnień
5. Uszkodzenie bloku zaworowego/mechatroniki
6. Zużycie lub uszkodzenie łożysk
7. Usterka elektronicznego sterownika skrzyni biegów