Techniek: De automatische versnellingsbak

Automatische versnellingsbak
Sommigen halen er hun neus voor op, anderen vinden het dan weer een onmisbaar deel van de ervaring. We hebben het uiteraard over de automatische transmissie.

Als je in een willekeurige auto stapt, heb je hoe langer hoe meer kans om slechts twee pedalen te vinden. Maar wat krijg je verder, naast een vreemd uitziende versnellingspook, in de plaats? Samengevat heb je met één van de volgende vier te maken: een conventionele automaat, een continu variabele transmissie, een automaat met dubbele koppeling of een gerobotiseerde manuele versnellingsbak. Onderwerp van vandaag: de conventionele automaat. Grote namen hierin zijn het Duitse ZF, AISIN, het Japanse Jatco en General Motors. Maar de eerste automaat in z’n hudige vorm werd al in de jaren ’30 (!) door het Amerikaanse leger toegepast.

BMW 7 Speed Sport Transmission

Een beetje autofreak weet ongeveer hoe een manuele versnellingsbak in elkaar steekt. Vlak tegen het vliegwiel van de motor, zit de koppeling gemonteerd. Dankzij die koppeling kan de wagen toch stilstaan terwijl de motor draait. Dit is nodig om vanuit stilstand te vertrekken. Hoewel het ook zonder kan, ook wel bekend als short-shiften. De eigenlijke versnellingsbak bestaat dan uit tandwielen, die twee aan twee de verschillende snelheidsbereiken van de wielen mogelijk maken. Een automaat heeft ook deze onderverdeling. Maar in plaats van de koppeling is er een koppelomvormer, terwijl de tandwielparen zijn vervangen door planeetwielen.

De koppelomvormer

De koppelomvormer doet ook iets anders dan de koppeling. Als de wagen stilstaat, werkt hij letterlijk als koppelomvormer: De motor levert een bepaald koppel aan het motortoerental. De omvormer zet dit om naar een groter koppel op trager toerental, naar de as naar de wielen. Dat is nodig om de wagen in beweging te brengen. Als de gewenste snelheid dan bereikt is, moet de koppeling werken als een vloeistofkoppeling, en een zo efficiënt mogelijke verbinding tot stand brengen tussen de motor en de wielen.

Als je een ventilator doet draaien, zet je lucht in beweging. De mechanische kracht wordt overgedragen van de schoepen naar de lucht. Omgekeerd kan ook: als je tegen een klein molentje blaast begint het te draaien. Ditzelfde op iets grotere schaal vind je ook hier en daar langs onze autosnelwegen. Een koppelomvormer werkt precies zo. Er zitten twee ‘molens’ in, met hun voorzijde tegen elkaar. De ene wordt aangedreven door de krukas van de motor, en stuwt olie van zich weg. De andere molen begint daardoor te draaien, en hangt vast aan de as van de versnellingsbak.

Om de koppeling nog veel performanter te maken, wordt hier nog een effect aan toegevoegd. Zo hebben de molens niet alleen schuine bladen, maar zijn het eigenlijk halvemaanvormige kamers. Door de draaiende beweging ondervindt de olie eveneens een middelpuntvliedende kracht, en door de kromming van de kamers wordt de vloeistof daardoor nog extra richting de andere molen geslingerd. Uit elkaar gehaald ziet dit er zo uit:

Koppelomvormer onderdelen

Het groene pompwiel is verbonden met de motor, het rode turbinewiel met de versnellingsbak. Er is echter nog een derde onderdeel: de stator. Door dit schoepenrad verkrijgt men volautomatisch de dubbele werking die eerder werd beschreven. Dit is een schoepenrad dat in de ene richting vrij kan ronddraaien, en in de andere richting geblokkeerd wordt, net als het achterste kettingwiel van een fiets.

Koppelvermenigvuldiging

Als het voertuig stilstaat en de motor draait, kun je de oliestroom voorstellen zoals in bovenstaande figuur. Het oranje wiel is het pompwiel, het groene wiel is het turbinewiel en de blauwe vaantjes zijn die van de stator. De roze pijl duidt de draaizin aan van de wielen. Olie wordt door het pompwiel tegen de schoepen van het turbinewiel geslingerd, en zet het zo in beweging in dezelfde richting. Olie die het turbinewiel verlaat , zou echter de oranje schoepen tegenwerken. Daarom zit de stator ertussen: de olie duwt tegen de stator (in tegenovergestelde richting ten opzichte van de pomp en de turbine), maar omdat hij in die richting geblokkeerd wordt buigt hij de oliestroom af zodat die de pomp niet meer tegenwerkt, maar juist de oliestroom versterkt.

Dit is dus wat er gebeurt tijdens het versnellen. Tijdens dit proces draait het pompwiel sneller dan het turbinewiel, er is dus veel slip. Naarmate de gewenste snelheid meer en meer wordt benaderd, daalt de slip, maar ook de grootte van het koppel dat de koppelomvormer op de wielen genereert. Op dat moment ziet de oliestroom er zo uit:

Vloeistofkoppeling

Het turbinewiel draait nu even snel als het pompwiel, en ook de olie in dat wiel heeft die snelheid. Die snelheid is groot genoeg om de olie, ondanks het afbuigende effect van de schoepen, toch in de zin van de draaibeweging weg te slingeren. Die duwt nu tegen de achterkant van de schoepen van de stator, maar in die zin kan de stator vrij ronddraaien, waardoor hij geen hindernis meer vormt. Het resultaat is een klassieke vloeistofkoppeling. De beide gevallen voor de stator worden hieronder nog eens voorgesteld.

Stator

 

Een voetnoot kan gemaakt worden over de zogeheten lock-up clutch. Er werd gezegd dat op stationaire snelheid, de koppelomvormer eigenlijk als een vloeistofkoppeling werkt. Die heeft als eigenschap dat er zelfs bij moderne koppelingen nog minstens 1% slip optreedt. Daarom bevindt er zich in alle koppelomvormers in het midden van de koppelomvormer eigenlijk een kleine ‘gewone’ koppeling: de lock-up clutch. Als 97% van de gewenste snelheid bereikt is, wordt deze koppeling hydraulisch ingeschakeld.

Bij het versnellen wordt de beweging overgedragen via olie. Maar als je op de autosnelweg op cruise control 120 km/u rijdt, is er weldegelijk een mechanische verbinding tussen de twee turbines. Een overzicht is hieronder te zien. En wie het graag eens van een Nederlander hoort, kan hier terecht.

Overzicht koppelomvormer

Planeetwielen

Een planeetwiel is in feite een stelsel van tandwielen: het zonnewiel, de satellieten en het ringwiel.

Planeetwielen

Als je de drager blokkeert en aan het zonnewiel draait, dan draait het ringwiel aan een welbepaalde snelheid. Blokkeer je het zonnewiel en draai je aan de drager, dan draait het ringwiel aan een andere snelheid. Tenslotte kun je het ringwiel nog blokkeren, en kun je het zonnewiel aandrijven en de drager doen draaien en vice versa. Niet minder dan zes verschillende snelheden zijn mogelijk.

Door de juiste keuze van het aantal tanden van elk tandwiel kunnen de gewenste overbrengingsverhoudingen gerealiseerd worden. Daarvoor moet wel de draaibeweging van de koppelomvormer aan de juiste as overgebracht worden, en moet de corresponderende as geremd worden. En dat is precies wat er in de automatische transmissie zit: planeetwielen, koppelingen en remmen.

Als voorbeeld nemen we de vandaag zeer populaire ZF 8HP: een klassieke automatische versnellingsbak voor achterwielaandrijving met 8 versnellingen.

ZF_8HP

Die is als volgt opgebouwd: Aan de zijde van het motorblok vinden we de koppelomvormer. De gekartelde ringen die te zien zijn maken deel uit van de lock-up clutch. Vlak na de koppelomvormer is je nog net een ketting te zien. Deze drijft een oliepomp aan, die de volledige transmissie van de nodige oliedruk voorziet. Verderop zitten de planeetwielstelsels verstopt, en de bruine ringen die er omheen zitten gebouwd zijn de wrijvingsplaten voor de koppelingen en remmen. De volledige bodem van de bak zit volgestouwd met elektronica en hydraulische kleppen voor de bediening van de schakelelementen. Die schakelementen zijn telkens opgebouwd uit schotelveren, wrijvingsplaten en een holle ruimte. De wrijvingsplaten hebben via kartelingen een mechanische verbinding met ofwel tandwielen ofwel de buitenwand. Aan de ene zijde van de wrijvingsplaten bevinden zich de veren, aan de andere zijde de holle ruimte. Wanneer de rem of koppeling moet ingeschakeld worden, wordt deze holle ruimte volgepompt met olie, waardoor de wrijvingsplaten tegen elkaar gedrukt worden. De koppeling is nu ingeschakeld.

Deze systemen hebben uiteraard een hele ontwikkeling doorgemaakt. Dit voorbeeld was een bak met 8 versnellingen: ZF heeft inmiddels een variant voor voorwielaandrijvers uitgebracht met maar liefst 9 versnellingen. Terwijl je in een kleine Renault nog altijd een vierversnellingsbak krijgt van Jatco.

Ze zijn ook intelligent: zo zal in stapvoets verkeer de bak automatisch in 2e blijven, om het onnodige schakelen te beperken. Bij een koude motor blijft de bak langer in een lagere versnelling, zodat de motor sneller op temperatuur komt. En ook je cruise control werkt er beter door: Als je bijvoorbeeld aan 70 km/u op vlak terrein rijdt en je op een heuvel komt, zal de elektronica gas bijgeven om toch nog de vooropgestelde 70 km/u te halen. Maar er ligt nog heel wat in het verschiet: in combinatie met cruise control zou de automaat op basis van GPS-data de juiste versnelling kunnen bepalen. Een waar stuk technisch vernuft, vooral als je bedenkt dat je hem enkel in D moet zetten en planken.

Deel dit bericht:

Reageer

Reactie aan het plaatsen...