Σχ.4.3.12 Διάταξη κιβωτίου ταχυτήτων τριών βαθμίδων, 4 ταχυτήτων. Ο οδοντωτός τροχός της όπισθεν απεικονίζεται σε γκρι τόνο.

Αναλόγως του αριθμού των βαθμίδων μετάδοσης κίνησης εντός του κιβωτίου (δηλ. των ζευγών οδοντωτών τροχών δια των οποίων μεταδίδεται η ροπή) που χρησιμοποιούνται για την επίτευξη των σχέσεων μετάδοσης του κιβωτίου (εκτός της όπισθεν), τα κιβώτια σταθερών αξόνων διακρίνονται σε κιβώτια μίας, δύο, ή πολλαπλών βαθμίδων (Σχ.4.3.11). Σχ.4.3.11 Διατάξεις κιβωτίων ταχυτήτων μίας, δύο και πολλαπλών βαθμίδων (δεν απεικονίζεται η ταχύτητα όπισθεν). Στα κιβώτια πολλαπλών βαθμίδων ο ενδιάμεσος άξονας κείται σε διαφορετικό επίπεδο από τους άξονες εισόδου και εξόδου. Επειδή ο άξονας εξόδου τους δεν κείται στην ίδια ευθεία με τον άξονα εισόδου, κιβώτια μίας βαθμίδας χρησιμοποιούνται μόνον σε οχήματα στα οποία το κιβώτιο ταχυτήτων (σχεδόν πάντα ενσωματωμένο ως ενιαίο σύνολο με τον κινητήρα) βρίσκεται στο ίδιο μέρος του οχήματος με τους κινητήριους τροχούς (δηλ. εμπρός για κίνηση στους εμπρόσθιους τροχούς ή πίσω για κίνηση στους οπίσθιους τροχούς). Σε αντίθετη περίπτωση, πχ. κινητήρας και κιβώτιο ταχυτήτων εμπρός και κινητήριοι τροχοί πίσω, ή σε οχήματα με κίνηση σε όλους τους τροχούς, η μετατοπισμένη θέση του άξονα εξόδου του κιβωτίου δημιουργεί χωροταξικά προβλήματα για τον κεντρικό άξονα σύνδεσης με το διαφορικό ή το κιβώτιο διανομής. Σε τέτοια οχήματα χρησιμοποιούνται αποκλειστικά κιβώτια δύο βαθμίδων. Κιβώτια πολλαπλών βαθμίδων 58

χρησιμοποιούνται συχνά σε επαγγελματικά οχήματα, επειδή επιτρέπουν μεγάλο αριθμό ταχυτήτων για σχετικά μικρό μήκος κιβωτίου, αφού μπορούν να περιλαμβάνουν περισσότερους του ενός ενδιάμεσους άξονες χωρίς αύξηση του μήκους τους. Η διάταξη των αξόνων, καθώς και ο τρόπος εμπλοκής της ταχύτητας όπισθεν, ενός κιβωτίου τριών βαθμίδων 4 ταχυτήτων, παρόμοιου με αυτό του Σχ.4.3.11, φαίνονται στο Σχ.4.3.12. Η ταχύτητα όπισθεν λειτουργεί ως μετάδοση δύο βαθμίδων, καθώς ο τροχός της επί του ενδιάμεσου άξονα εμπλέκεται απ ευθείας με τον αντίστοιχο τροχό του άξονα εξόδου. Σχ.4.3.12 Διάταξη κιβωτίου ταχυτήτων τριών βαθμίδων, 4 ταχυτήτων. Ο οδοντωτός τροχός της όπισθεν απεικονίζεται σε γκρι τόνο. Στο Σχ.4.3.13 παριστάνονται οι διατάξεις δύο κιβωτίων 6 ταχυτήτων ιδιωτικών επιβατικών οχημάτων. Στο κιβώτιο δύο βαθμίδων η κίνηση μεταδίδεται μέσω ενός «σταθερού ζεύγους» οδοντωτών τροχών στον ενδιάμεσο άξονα, και από αυτόν στον άξονα εξόδου, με ένα αντίστοιχο ζεύγος για κάθε ταχύτητα. Εξαίρεση αποτελεί η 5η ταχύτητα, που εμπλέκεται με απ ευθείας σύνδεση του άξονα εισόδου με τον άξονα εξόδου (με σχέση μετάδοσης 1). Επειδή αποφεύγεται η μετάδοση της ροπής μέσω οδοντώσεων, ο βαθμός απόδοσης του κιβωτίου με την 5η ταχύτητα είναι υψηλότερος. Στο κιβώτιο μίας βαθμίδας ο οδοντωτός τροχός της όπισθεν εδράζεται σε ενδιάμεσο άξονα, με σκοπό την αποφυγή αύξησης του μήκους του κιβωτίου. Η ταχύτητα όπισθεν λειτουργεί ως μετάδοση τριών βαθμίδων. Κιβώτια 5 έως 6 ταχυτήτων επαγγελματικών οχημάτων κατασκευάζονται πάντα ως κιβώτια μίας βαθμίδας (Σχ.4.3.14). Λόγω των σχετικά μεγάλων διερχόμενων ροπών, επιδιώκεται η τοποθέτηση των οδοντώσεων των μεγάλων σχέσεων μετάδοσης (με τη μεγαλύτερη αύξηση ροπής) κοντά στις εδράσεις των αξόνων, για τον περιορισμό της παραμόρφωσης των αξόνων. Η 59

Σχ.4.3.13 Διατάξεις κιβωτίων ταχυτήτων 6 ταχυτήτων ιδιωτικών επιβατικών οχημάτων: α) δύο βαθμίδων, β) μίας βαθμίδας. Οι οδοντωτοί τροχοί της όπισθεν απεικονίζονται σε γκρι τόνο. τοποθέτηση του σταθερού ζεύγους στην έξοδο του κιβωτίου αντί στη είσοδο (Σχ.4.3.14) και η συνεπαγόμενη αύξηση της ροπής εκεί έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση των ροπών δια των εμπλεκόμενων ενδιάμεσων οδοντώσεων και συνεπώς της παραμόρφωσης των αξόνων καθώς και της καταπόνησης των δακτυλίων συγχρονισμού, έχει όμως το μειονέκτημα ο ενδιάμεσος άξονας, οι οδοντωτοί τροχοί, οι δακτύλιοι συγχρονισμού και τα έδρανα να περιστρέφονται με περισσότερες στροφές, με συνέπεια αύξηση των απωλειών ισχύος και αυξημένη φθορά των εδράνων. Σχ.4.3.14 Κιβώτια μίας βαθμίδας επαγγελματικών οχημάτων. Το σταθερό ζεύγος μπορεί να τοποθετείται στην είσοδο ή την έξοδο του κιβωτίου. 60

Σε επαγγελματικά οχήματα, για αριθμό ταχυτήτων μεγαλύτερο από 6, χρησιμοποιούνται συχνά κιβώτια πολλαπλής επιλογής, που έχουν το πλεονέκτημα ότι παρέχουν το μεγαλύτερο αριθμό ταχυτήτων με το μικρότερο αριθμό ζευγών οδοντωτών τροχών. Τα κιβώτια αυτά ουσιαστικά απαρτίζονται από δύο ή τρία κιβώτια συνδεδεμένα εν σειρά. Για κάθε ένα από τα επί μέρους κιβώτια γίνεται ανεξάρτητη επιλογή ταχύτητας. Έτσι ο συνολικός αριθμός ταχυτήτων ενός κιβωτίου πολλαπλής επιλογής είναι ίσος προς το γινόμενο των αριθμών ταχυτήτων των επί μέρους κιβωτίων. Στο Σχ.4.3.15 παριστάνεται σχηματικά ένα τέτοιο κιβώτιο. Το πρώτο επί μέρους κιβώτιο, το κιβώτιο προεπιλογής, συνήθως με δύο ταχύτητες, χρησιμεύει για τη δημιουργία ενδιάμεσων σχέσεων μετάδοσης μεταξύ των σχέσεων του δεύτερου επί μέρους κιβωτίου, του κυρίου κιβωτίου. Για το σκοπό αυτό η μία σχέση μετάδοσης του κιβωτίου προεπιλογής είναι 1, ενώ η δεύτερη στη συνηθέστερη περίπτωση που οι σχέσεις του κυρίου κιβωτίου αποτελούν γεωμετρική σειρά ίση προς την τετραγωνική ρίζα του λόγου (βήματος) μεταξύ διαδοχικών σχέσεων του κυρίου κιβωτίου (περίπου 1,1 1,2). Έτσι με την πρώτη σχέση μετάδοσης του κιβωτίου προεπιλογής διατηρούνται οι σχέσεις μετάδοσης του κυρίου κιβωτίου (βαθμίδα High, Σχ.4.3.15 Σχηματική παράσταση κιβωτίου πολλαπλών επιλογών 2 x 4 x 2 = 16 ταχυτήτων. Κιβώτιο προεπιλογής: H: απ ευθείας μετάδοση, L: μείωση. Κιβώτιο μείωσης: D: απ ευθείας μετάδοση, R: μείωση. 61

H), ενώ με τη δεύτερη σχέση δημιουργούνται οι ενδιάμεσες («μισές») σχέσεις μετάδοσης (βαθμίδα Low, L). Το αποτέλεσμα της συνεργασίας των δύο επί μέρους κιβωτίων φαίνεται στο Σχ.4.3.16α. Σχ.4.3.16 Σχέσεις μετάδοσης, σε αριθμητική και λογαριθμική κλίμακα, που προκύπτουν από το συνδυασμό των τριών επί μέρους κιβωτίων του κιβωτίου πολλαπλής επιλογής του Σχ.4.3.15. Φαίνεται το βήμα των σχέσεων μετάδοσης του κιβωτίου προεπιλογής και του κιβωτίου μείωσης. Οι ταχύτητες L (Low) προκύπτουν με παρεμβολή της βαθμίδας μείωσης του κιβωτίου προεπιλογής, ενώ οι ταχύτητες H (High) χωρίς μείωση στο κιβώτιο προεπιλογής. 62

Το τρίτο επί μέρους κιβώτιο, το κιβώτιο μείωσης, συνήθως με δύο ή τρεις ταχύτητες, χρησιμεύει για την επέκταση του πεδίου των σχέσεων μετάδοσης του κυρίου κιβωτίου. Η πρώτη σχέση μετάδοσής του είναι 1, ενώ η δεύτερη ίση προς το γινόμενο του λόγου μέγιστης ελάχιστης σχέσης του κυρίου κιβωτίου επί το βήμα μεταξύ διαδοχικών σχέσεων του κυρίου κιβωτίου (συνήθως προκύπτει 3 4). Ανάλογα επιλέγεται και η τρίτη σχέση του κιβωτίου μείωσης, αν υπάρχει. Οι σχέσεις μετάδοσης που προκύπτουν από τη συνεργασία του κυρίου κιβωτίου με το κιβώτιο μείωσης φαίνονται στο Σχ.4.3.16β. Στο Σχ.4.3.16γ φαίνονται οι σχέσεις μετάδοσης του πλήρους κιβωτίου, ενώ στο Σχ.4.3.17 παριστάνεται η ροή ισχύος για κάθε σχέση μετάδοσης του κιβωτίου. Σχ.4.3.17 Διάγραμμα ροής ισχύος και σχέσεις μετάδοσης του κιβωτίου πολλαπλής επιλογής με 2 Χ 4 Χ 2 = 16 ταχύτητες του Σχ.4.3.15. 63

Το κιβώτιο προεπιλογής τοποθετείται πάντα πριν από το κύριο κιβώτιο, γιατί σε αντίθετη περίπτωση οι διαστάσεις του θα έπρεπε να καθορισθούν βάσει της μέγιστης ροπής εξόδου του κυρίου κιβωτίου, ενώ η παρεμβολή του πριν το κύριο κιβώτιο προξενεί μικρή μόνον αύξηση των ροπών διά του κυρίου κιβωτίου. Αντίστοιχα το κιβώτιο μείωσης τοποθετείται πάντα μετά το κύριο κιβώτιο, ώστε η μεγάλη αύξηση της ροπής που προξενούν οι υψηλές του σχέσεις μετάδοσης να μην επηρεάζει τις διαστάσεις του κυρίου κιβωτίου. 4.3.4 Πλανητικά κιβώτια ταχυτήτων Ένα απλό πλανητικό (επικυκλικό) σύστημα μετάδοσης αποτελείται από τρία μέλη με ομόκεντρους άξονες (Σχ.4.3.18): - τον ήλιο (με εξωτερική οδόντωση) - το φορέα των πλανητών - τη στεφάνη (με εσωτερική οδόντωση). Οι οδοντωτοί πλανήτες μπορούν να περιστρέφονται ελεύθερα επί των αξονίσκων τους, ώστε ο φορέας των πλανητών να μπορεί να περιστρέφεται ως προς ήλιο και τη στεφάνη μέσω κύλισης των πλανητών (τριών ή περισσότερων) επί της εξωτερικής οδόντωσης του ήλιου και της εσωτερικής οδόντωσης της στεφάνης. Σχ.4.3.18 Σχηματική παράσταση απλού πλανητικού συστήματος. 64

Οι γωνιακές ταχύτητες των τριών μελών του συστήματος εξαρτώνται από τις σχέσεις μεταξύ των αριθμών δοντιών τους. Για να είναι δυνατή η μεταξύ τους συνεργασία, οι οδοντώσεις του ήλιου, των πλανητών και της στεφάνης έχουν το ίδιο μέτρο. Συνεπώς η σχέση των διαμέτρων τους είναι και σχέση των αριθμών δοντιών τους: z, (4.3.21) 1 2z2 z3 όπου z 1, z 2, z 3 οι αριθμοί δοντιών ήλιου, πλανήτη και στεφάνης αντίστοιχα. Βάσει της εξ.4.3.21 αρκεί μία μόνον σχέση μεταξύ των αριθμών δοντιών των μελών συνήθως ορίζεται ο λόγος z 3 /z 1 για τον καθορισμό και των υπόλοιπων σχέσεων. Κατά τη λειτουργία του συστήματος ως κιβωτίου ταχυτήτων, με τη βοήθεια πολύδισκων συμπλεκτών, πεδών ή μονόφορων εδράσεων, ένα μέλος κρατείται ακίνητο, ένα συνδέεται με τον κινητήριο άξονα και ένα με τον κινούμενο. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατόν να προκύψουν 6 καταστάσεις κίνησης με διαφορετικές σχέσεις μετάδοσης, όπως φαίνεται στον Πίν.4.3.1. Υπάρχουν επίσης 6 ακόμη καταστάσεις κίνησης, κατά τις οποίες ένα μέλος είσοδος συνδέεται σταθερά με ένα μέλος έξοδο, οπότε το τρίτο μέλος εξαναγκάζεται να ακολουθεί την περιστροφή τους. Όλο το σύστημα περιστρέφεται τότε σαν ένα σώμα και η σχέση μετάδοσης είναι 1. Πίν.4.3.1 Δυνατές καταστάσεις κίνησης απλού πλανητικού συστήματος και αντίστοιχες σχέσεις μετάδοσης. Το αρνητικό πρόσημο σημαίνει αναστροφή της φοράς περιστροφής μεταξύ άξονα εισόδου και άξονα εξόδου, δηλ. ταχύτητα όπισθεν. 65

Οι σχέσεις μετάδοσης που προκύπτουν για ένα απλό πλανητικό σύστημα βάσει του Πίν.4.3.1 δεν είναι όλες κατάλληλες για ένα κιβώτιο ταχυτήτων. Συνήθως μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο ή τρεις σχέσεις. Εκτός από τη χρήση τους ως κιβωτίων ταχυτήτων, τα πλανητικά συστήματα χρησιμοποιούνται και ως μηχανισμοί διαφορισμού. Στις περιπτώσεις αυτές δύο από τα μέλη του συστήματος συνδέονται με δύο άξονες, χωρίς κινητικό περιορισμό του τρίτου. Στο Σχ.4.3.19 παριστάνεται η αρχή λειτουργίας ενός πλανητικού κιβωτίου ταχυτήτων με δύο σχέσεις μετάδοσης. Όταν ο πολύδισκος συμπλέκτης είναι κλειστός, η στεφάνη και ο ήλιος είναι σταθερά συνδεδεμένοι μεταξύ τους, εξαναγκάζοντας το φορέα των πλανητών να ακολουθεί την περιστροφική τους κίνηση. Όλο το σύστημα περιστρέφεται σαν ένα σώμα κατά τη φορά περιστροφής του κινητήριου άξονα, κίνηση που επιτρέπει η μονόφορη έδραση, και η σχέση μετάδοσης είναι 1. Όταν ο πολύδισκος συμπλέκτης είναι ανοικτός, η στεφάνη, που την περιστρέφει ο κινητήριος άξονας, παρασύρει μέσω της περιστροφής των πλανητών το φορέα σε περιστροφή κατά την ίδια φορά, με μικρότερη όμως ταχύτητα. Οι περιστρεφόμενοι πλανήτες τείνουν να περιστρέψουν τον ήλιο προς την αντίθετη φορά, η κίνησή του όμως εμποδίζεται από τη μονόφορη έδραση. Έτσι ο ήλιος μένει ακίνητος και ο άξονας εξόδου, δηλ. ο φορέας, περιστρέφεται κατά την ίδια φορά με τη στεφάνη, δηλ. τον κινητήριο άξονα, με μικρότερη ταχύτητα. Από τον Πίν.4.3.1, για ακίνητο ήλιο και κινητήρια στεφάνη (κατάσταση f), προκύπτει σχέση μετάδοσης i P = 1 + z 1 /z 3 (συνήθως μείωση των στροφών κατά 20% έως 30%). Η μονόφορη έδραση είναι ένα πολύ οικονομικό στοιχείο σύμπλεξης, επειδή δεν απαιτεί υδραυλικό χειρισμό. Η διάταξη όμως του Σχ.4.3.19 παρουσιάζει το μεγάλο μειονέκτημα ότι κατά τη λειτουργία με μείωση χάνεται η πεδητική επενέργεια του κινητήρα σε λειτουργία χωρίς φορτίο (πχ. σε κατηφορική πορεία), επειδή όταν αντιστρέφεται η ροή ισχύος, η μονόφορη έδραση λύνεται, με αποτέλεσμα την απεμπλοκή του κινούμενου άξονα από τον κινητήριο. Σχ.4.3.19 Πλανητικό σύστημα δύο σχέσεων μετάδοσης με μονόφορη έδραση. 66

Το μειονέκτημα αυτό αποφεύγεται στη διάταξη του Σχ.4.3.20, όπου η μονόφορη έδραση αντικαθίσταται από μία ελεγχόμενη πέδη. Όπως προηγουμένως, όταν ο πολύδισκος συμπλέκτης είναι κλειστός, συνδέοντας σταθερά τον ήλιο με το φορέα των πλανητών, το πλανητικό σύστημα περιστρέφεται σαν ένα σώμα και η σχέση μετάδοσης είναι 1. Όταν ο πολύδισκος συμπλέκτης είναι ανοικτός, ενεργοποιείται η πέδη και κρατά τον ήλιο ακίνητο. Η περιστρεφόμενη στεφάνη εξαναγκάζει τους πλανήτες σε κύλιση πάνω στον ακίνητο ήλιο, με αποτέλεσμα ο φορέας των πλανητών να περιστρέφεται κατά τη φορά της στεφάνης. Η σχέση μετάδοσης είναι πάλι (κατάσταση f του Πίν.4.3.1) i P = 1 + z 1 /z 3. Κατά τη λειτουργία με μείωση χωρίς φορτίο η πέδη κρατά τον ήλιο ακίνητο, με συνέπεια οι κυλιόμενοι επάνω του πλανήτες να εξαναγκάζουν τη στεφάνη σε περιστροφή κατά την ίδια φορά, ώστε να αξιοποείται η πεδητική επενέργεια του κινητήρα. Σχ.4.3.20 Πλανητικό σύστημα δύο σχέσεων μετάδοσης με ελεγχόμενη πέδη. Με την εν σειρά σύνδεση δύο ή περισσότερων απλών πλανητικών συστημάτων είναι δυνατή η δημιουργία συστημάτων με μεγάλο αριθμό χρήσιμων σχέσεων μετάδοσης. Ωστόσο, λόγω μικρότερου κόστους κατασκευής και ευνοϊκότερων σχέσεων μετάδοσης, συνήθως προτιμούνται σύνθετα πλανητικά συστήματα, στα οποία ορισμένα βασικά μέλη (ήλιος, φορέας πλανητών ή στεφάνη) είναι κοινά μεταξύ των επί μέρους απλών συστημάτων. Τα περισσότερα σύνθετα συστήματα κατασκευάζονται σε διάφορες παραλλαγές, που διαφοροποιούνται ως προς τη σύνδεση μεταξύ των στοιχείων τους και τον αριθμό των σχέσεων μετάδοσης. Το σύστημα Ravigneaux (Σχ.4.3.21), που απαρτίζεται από δύο ήλιους, ένα φορέα με δύο ομάδες πλανητών, και μία στεφάνη, προσφέρει μέχρι 4 + 1 σχέσεις μετάδοσης και λόγω του σχετικά μικρού μήκους του είναι το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο σε αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων. Ευρεία εφαρμογή έχει και το σύστημα Simpson (Σχ.4.3.22), που αποτελείται από δύο πλανητικά συστήματα με κοινό ήλιο, με το φορέα του δεύτερου συστήματος ενσωματωμένο στη στεφάνη του πρώτου. Το 67

Σχ.4.3.21 Σχηματική παράσταση και κατασκευαστική διαμόρφωση πλανητικού συστήματος Ravigneaux 4 +1 ταχυτήτων. Α, Β, C, D, E: συμπλέκτες. Με Χ σημειώνονται τα στοιχεία εμπλοκής που ενεργοποιούνται σε κάθε ταχύτητα. σύστημα προσφέρει έως 3 + 1 σχέσεις μετάδοσης και χαρακτηρίζεται από σχετικά χαμηλό κόστος παραγωγής λόγω της ομοιότητας των δύο επί μέρους συστημάτων του. Σχ.4.3.22 Σχηματική παράσταση πλανητικού συστήματος Simpson 3 + 1 ταχυτήτων. C 1, C 2 : συμπλέκτες, B 1, B 2 : πέδες, F: μονόφορη έδραση. Με Χ σημειώνονται τα στοιχεία εμπλοκής που ενεργοποιούνται σε κάθε ταχύτητα. Επειδή η επιλογή των ταχυτήτων τους γίνεται υπό φορτίο, τα πλανητικά συστήματα συνδυάζονται κατά κανόνα με υδραυλικούς μετατροπείς ροπής. Ο βαθμός απόδοσης των πλανητικών κιβωτίων ταχυτήτων είναι λίγο μικρότερος αυτών με σταθερούς άξονες, λόγω της ισχύος που καταναλώνει η αντλία του υδραυλικού συστήματος χειρισμού. Επίσης, κατά τη λειτουργία σε ορισμένες ταχύτητες αναπτύσσονται εσωτερικές ροπές αντίθετες στη φορά μετάδοσης της κίνησης, προξενώντας πρόσθετες απώλειες. 68

4.3.5 Αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων Τα αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων είναι μηχανικά κιβώτια αλλαγής ταχυτήτων υπό φορτίο, σταθερών αξόνων ή πλανητικά, στα οποία οι λειτουργίες: - εμπλοκή ταχύτητας / εκκίνηση του οχήματος και - αλλαγή ταχύτητας εκτελούνται αυτόματα από έναν μηχανισμό ελέγχου σύμφωνα με κάποιο πρόγραμμα, είτε απόλυτα προκαθορισμένο, είτε προσαρμοζόμενο στις εκάστοτε συνθήκες οδήγησης και σε επιλογές του οδηγού. Ο μηχανισμός ελέγχου είναι υδραυλικός ή ηλεκτρονικός υδραυλικός. Έναντι των χειροκίνητων κιβωτίων ταχυτήτων τα αυτόματα παρουσιάζουν κυρίως το πλεονέκτημα της πιο άνετης οδήγησης, αλλά και της ταχύτερης και πιο καίριας αλλαγής ταχυτήτων σε σχέση με το μέσο οδηγό, που συντελεί σε κάποια οικονομία καυσίμου. Ωστόσο έχουν χαμηλότερο βαθμό απόδοσης, εξ αιτίας κυρίως της ισχύος που καταναλώνεται από την αντλία του υδραυλικού συστήματος εμπλοκής ταχυτήτων, και υψηλότερο κόστος αγοράς. Λόγω των πλεονεκτημάτων τους η χρήση τους σε επιβατικά και επαγγελματικά οχήματα διευρύνεται διαρκώς. 4.3.5.1 Αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων σταθερών αξόνων Κατασκευάζονται ως συνδυασμός μηχανικού κιβωτίου μίας, δύο, ή πολλαπλών βαθμίδων με υδραυλικό μετατροπέα ροπής ή με πολύδισκους συμπλέκτες (Σχ.4.3.23). Χρησιμοποιούνται σχετικά σπάνια σε επιβατικά οχήματα, αλλά πολύ συχνότερα σε επαγγελματικά, επειδή για μεγάλο αριθμό ταχυτήτων παρουσιάζουν μικρότερο όγκο και απλούστερη κατασκευή από αυτόματα πλανητικά κιβώτια του ιδίου αριθμού ταχυτήτων. Στο κιβώτιο μίας βαθμίδας του Σχ.4.3.23α η εμπλοκή κάθε ταχύτητας γίνεται μέσω του αντίστοιχου πολύδισκου συμπλέκτη, ενώ η όπισθεν εμπλέκεται εκτός φορτίου. Στο κιβώτιο του Σχ. 4.3.23β, επίσης μίας βαθμίδας, η 1η και η 3η ταχύτητα εμπλέκονται μέσω του συμπλέκτη C 2, ενώ η 2η και η 4η ταχύτητα μέσω του συμπλέκτη C 1. Κατά την αλλαγή ταχύτητας (πχ. από την 1η στη 2η) μετακινείται πρώτα στην κατάλληλη θέση ο συνδετικός δακτύλιος του ζεύγους ταχυτήτων (2ης και 4ης) που είναι εκτός εμπλοκής και συνεπώς εκτός φορτίου, και αμέσως μετά εναλλάσσεται η εμπλοκή μεταξύ των συμπλεκτών C 1 και C 2 (αποσυμπλέκεται ο C 2 και εμπλέκεται ο C 1 ). Κατά την εκκίνηση του 69

οχήματος οι πολύδισκοι συμπλέκτες λειτουργούν υπό ολίσθηση, όπως ένας κοινός μηχανικός συμπλέκτης. Σχ.4.3.23 Αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων επιβατικών οχημάτων με οδοντώσεις σταθερών αξόνων. α) Με υδραυλικό μετατροπέα ροπής. β) Με πολύδισκους συμπλέκτες. 4.3.5.2 Αυτόματα πλανητικά κιβώτια ταχυτήτων Είναι τα κυρίως χρησιμοποιούμενα σε όλες τις κατηγορίες οχημάτων. Κατασκευάζονται ως συνδυασμός σύνθετου πλανητικού κιβωτίου ταχυτήτων με μετατροπέα ροπής. Σε επιβατικά οχήματα έχουν συνήθως μέχρι 6 ταχύτητες, σε επαγγελματικά μέχρι 8. Στο Σχ.4.3.24 παριστάνεται σχηματικά ένα αυτόματο κιβώτιο με υδραυλικό μηχανισμό ελέγχου. Το κιβώτιο χρησιμοποιεί μία παραλλαγή του πλανητικού συστήματος Ravigneaux με 3 +1 ταχύτητες (Σχ.4.3.25). Ο άξονας εισόδου έχει τη δυνατότητα να συνδέεται είτε με τον πρώτο ήλιο μέσω του συμπλέκτη 3 ή της μονόφορης έδρασης, είτε με τη στεφάνη μέσω του συμπλέκτη 2, ενώ ο άξονας εξόδου είναι μόνιμα συνδεδεμένος με το φορέα των πλανητών. Η στεφάνη μπορεί να ακινητοποιείται μέσω του συμπλέκτη 1 και ο δεύτερος ήλιος μέσω της πέδης Π. Η εμπλοκή των ταχυτήτων γίνεται μέσω της ενεργοποίησης των τριών συμπλεκτών και της πέδης και με τη βοήθεια της μονόφορης έδρασης, σύμφωνα με τον πίνακα του Σχ.4.3.25. Με το μοχλό ταχυτήτων επιλέγεται η θέση της χειροκίνητης βαλβίδας. Κάθε θέση της χειροκίνητης βαλβίδας δημιουργεί διαφορετική συνδεσμολογία του υδραυλικού κυκλώματος που αντιστοιχεί σε διαφορετική κατάσταση οδήγησης: Ν: «νεκρό» (αποσύμπλεξη του άξονα εξόδου από τον 70

Σχ.4.3.24 Σχηματική παράσταση αυτόματου κιβωτίου 3 + 1 ταχυτήτων (πλανητικό σύστημα Ravigneaux) με υδραυλικό μηχανισμό ελέγχου. Το κιβώτιο απεικονίζεται με τη 2η ταχύτητα σε εμπλοκή. Σχ.4.3.25 Σχηματική παράσταση του πλανητικού συστήματος Ravigneaux του κιβωτίου του Σχ.4.3.24. 1, 2, 3: πολύδισκοι συμπλέκτες, Π: πέδη, Μ: μονόφορη έδραση. Με Χ σημειώνονται τα στοιχεία εμπλοκής που ενεργοποιούνται σε κάθε ταχύτητα. άξονα εισόδου), D: πορεία πρόσω, R: όπισθεν, 1: οδήγηση με την 1η ταχύτητα, 2: οδήγηση με τη 2η ταχύτητα. Η επιλογή P ακινητοποιεί μέσω μίας οδόντωσης τον άξονα εξόδου (Σχ.4.3.24) όταν το όχημα δεν κινείται και ο κινητήρας δεν λειτουργεί. 71

Η αυτόματη λειτουργία, δηλ. η εκκίνηση με την 1η ταχύτητα και η αυτόματη αλλαγή ταχυτήτων κατά την πορεία, γίνεται με τη χειροκίνητη βαλβίδα στη θέση D. Η επιλογή ταχύτητας από το μηχανισμό ελέγχου βασίζεται σε δύο παραμέτρους: 1) τη θέση του πεντάλ καυσίμου, δηλ. τη ροπή (φορτίο) του κινητήρα ως ποσοστό της μέγιστης ροπής του κινητήρα στις εκάστοτε στροφές λειτουργίας του, που καθορίζει το άνοιγμα της στραγγαλιστικής βαλβίδας (μέσω της υποπίεσης αναρρόφησης του κινητήρα) και συνεπώς την πίεση στη μία πλευρά των βαλβίδων αλλαγής ταχύτητας, και 2) τον αριθμό στροφών του άξονα εξόδου, δηλ. την ταχύτητα του οχήματος, που καθορίζει τη θέση του φυγοκεντρικού ρυθμιστή και της βαλβίδας του, και συνεπώς την πίεση στην άλλη πλευρά των βαλβίδων αλλαγής ταχύτητας. Ο κάθε συνδυασμός θέσεων των δύο βαλβίδων αλλαγής ταχύτητας, όπως καθορίζεται από την επίδραση των δύο παραμέτρων, οδηγεί στην ενεργοποίηση διαφορετικών στοιχείων εμπλοκής και στην επιλογή της αντίστοιχης ταχύτητας του κιβωτίου. Το κιβώτιο του Σχ.4.3.24 παριστάνεται σε κατάσταση αυτόματης λειτουργίας, δηλ. με τη χειροκίνητη βαλβίδα στη θέση D. Η θέση αυτή της χειροκίνητης βαλβίδας επιτρέπει τη διέλευση λαδιού με τη σταθερή πίεση που διατηρεί η αντλία του υδραυλικού κυκλώματος προς τον κύλινδρο της πέδης, ώστε η πέδη να κρατά ακινητοποιημένο το δεύτερο ήλιο. Κατά την εκκίνηση και σε πολύ χαμηλές ταχύτητες του οχήματος η βαλβίδα του φυγοκεντρικού ρυθμιστή είναι κλειστή ή ελάχιστα ανοικτή, με συνέπεια η ρυθμιστική πίεση του λαδιού που διοχετεύεται προς τις βαλβίδες αλλαγής 1-2 και 2-3 να μην επαρκεί για την υπερνίκηση της πίεσης των ελατηρίων και της πίεσης του λαδιού από τη βαλβίδα στραγγαλισμού, που απαιτείται για τη μετακίνησή τους. Με κλειστές τις βαλβίδες αλλαγής όλοι οι συμπλέκτες παραμένουν ανοικτοί και η κίνηση μεταδίδεται από τον άξονα εισόδου μέσω της μονόφορης έδρασης στον πρώτο ήλιο. Με ενεργοποιημένη την πέδη και τη μονόφορη έδραση, το όχημα κινείται με την 1η ταχύτητα (Σχ.4.3.25). Όταν η ταχύτητα του οχήματος αυξηθεί αρκετά, η βαλβίδα του φυγοκεντρικού ρυθμιστή ανοίγει τόσο, ώστε η ρυθμιστική πίεση του λαδιού που διοχετεύεται προς τις βαλβίδες αλλαγής να επαρκεί για τη μετακίνηση της βαλβίδας 1-2, όχι όμως της βαλβίδας 2-3 (που έχει σκληρότερο ελατήριο). Το λάδι που διέρχεται έτσι από τη βαλβίδα 1-2 κλείνει το συμπλέκτη 2, συνδέοντας τη στεφάνη με τον άξονα εισόδου. Επειδή τότε ο πρώτος ήλιος περιστρέφεται κατά τη φορά περιστροφής και ταχύτερα του άξονα εισόδου, η μονόφορη έδραση δεν μεταδίδει 72

κίνηση. Με ενεργοποιημένη την πέδη και κλειστό το συμπλέκτη 2 το όχημα κινείται με τη 2η ταχύτητα (Σχ.4.3.25). Σε κάποια υψηλότερη ταχύτητα του οχήματος η βαλβίδα του φυγοκεντρικού ρυθμιστή ανοίγει περισσότερο, τόσο ώστε η ρυθμιστική πίεση του λαδιού να αυξηθεί αρκετά για να μετακινήσει και τη βαλβίδα 2-3, μέσω της οποίας κλείνει ο συμπλέκτης 3, που συνδέει τον άξονα εισόδου με τον πρώτο ήλιο. Ταυτοχρόνως η πίεση του λαδιού που μέσω της βαλβίδας 2-3 επενεργεί στον κύλινδρο της πέδης υπερνικά την αντίθετη πίεση του λαδιού από τη χειροκίνητη βαλβίδα, με αποτέλεσμα την απενεργοποίηση της πέδης. Με ενεργοποιημένους τους συμπλέκτες 2 και 3 και απενεργοποιημένη την πέδη, το όχημα κινείται πλέον με την 3η ταχύτητα (Σχ.4.3.25). Το ίδιο αποτέλεσμα με την αύξηση της ταχύτητας του οχήματος (δηλ. την αλλαγή από τη 2η στην 3η ταχύτητα) έχει και η μείωση του φορτίου του κινητήρα με σταθερή ταχύτητα του οχήματος. Στην περίπτωση αυτή η βαλβίδα 2-3 ανοίγει όχι λόγω αύξησης της ρυθμιστικής πίεσης (που παραμένει σταθερή), αλλά λόγω μείωσης της πίεσης του λαδιού από τη βαλβίδα στραγγαλισμού συνεπεία της ανόδου του πεντάλ καυσίμου. Με ανάλογες διαδικασίες εκτελούνται και οι υπόλοιπες αλλαγές ταχύτητας. Πρόκειται δηλ. για ένα ακριβώς προκαθορισμένο πρόγραμμα αλλαγής ταχυτήτων βάσει των δύο παραμέτρων, όπως παριστάνεται ποιοτικά στο Σχ.4.3.26, που προσδιορίζεται από τα χαρακτηριστικά της αντλίας του υδραυλικού κυκλώματος, των βαλβίδων και του φυγοκεντρικού ρυθμιστή. Με την υστέρηση μεταξύ των αντίστοιχων καμπύλων αλλαγής προς υψηλότερη και προς χαμηλότερη ταχύτητα αποφεύγεται η διαρκής εναλλαγή μεταξύ δύο ταχυτήτων σε οριακά σημεία λειτουργίας. Αν και η αξιοπιστία των υδραυλικών συστημάτων ρύθμισης είναι πλέον μεγάλη, παρουσιάζουν τα μειονεκτήματα ότι η συμπεριφορά τους μεταβάλλεται με το χρόνο λόγω φθοράς των μηχανικών εξαρτημάτων τους και ότι το πρόγραμμα αλλαγής ταχυτήτων τους δεν μπορεί να προσαρμόζεται σε διαφορετικές συνθήκες ή σε προτιμήσεις του οδηγού. Αυτό έχει σαν συνέπεια να διευρύνεται διαρκώς η χρήση των ηλεκτρονικών υδραυλικών συστημάτων, τα οποία, εκτός από την υπεροχή τους στα δύο αυτά σημεία, συνεργάζονται αποδοτικότερα με συστήματα διαχείρισης του κινητήρα (engine management), ενώ το πρόγραμμά τους μπορεί να λαμβάνει υπ όψιν και πρόσθετες παραμέτρους, όπως τη διαμήκη και την εγκάρσια επιτάχυνση του οχήματος και την ταχύτητα μεταβολής της θέσης του πεντάλ καυσίμου. Στα ηλεκτρονικά υδραυλικά συστήματα διατηρείται η υδραυλική εμπλοκή ταχυτήτων, αλλά η επεξεργασία 73

Σχ.4.3.26 Ποιοτική παράσταση προγράμματος αλλαγής ταχυτήτων αυτόματου κιβωτίου συναρτήσει της θέσης του πεντάλ καυσίμου και της ταχύτητας του οχήματος. των παραμέτρων αλλαγής ταχύτητας γίνεται από μία ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, που δίνει και τις σχετικές εντολές. Όπως φαίνεται στο κιβώτιο του Σχ.4.3.24, για την ακινητοποίηση ενός μέλους ενός πλανητικού συστήματος μπορεί να χρησιμοποιείται είτε πέδη (όπως η πέδη Π) είτε συμπλέκτης (όπως ο συμπλέκτης 1). Επειδή η πέδηση με πέδη (μία μεταλλική ταινία τυλιγμένη γύρω από ένα τύμπανο που το σφίγγει κατά την πέδηση) γίνεται πολύ απότομα και δεν είναι δυνατόν να ελέγχεται με ακρίβεια, η χρήση πεδών τείνει να αντικατασταθεί σχεδόν πλήρως από τη χρήση πολύδισκων συμπλεκτών, παρ όλο που καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο, επειδή επιτρέπουν ακριβέστερο έλεγχο, και κατά συνέπεια ομαλότερες αλλαγές ταχύτητας. Η μόνιμη πέδηση του άξονα εξόδου (θέση P της χειροκίνητης βαλβίδας) όταν δεν λειτουργεί ο κινητήρας είναι αναγκαία, γιατί τότε η αντλία του υδραυλικού κυκλώματος, η οποία κινείται από τον κινητήρα, δεν παρέχει πίεση, με αποτέλεσμα να μην λειτουργεί κανένα στοιχείο εμπλοκής και να μην είναι δυνατή μετάδοση ροπής μεταξύ άξονα εξόδου και άξονα εισόδου του κιβωτίου. Εάν το όχημα είναι σταθμευμένο σε δρόμο με κλίση, αμέσως μετά τη λύση του χειρόφρενου, λόγω έλλειψης πεδητικής επενέργειας του κινητήρα, αρχίζει να κινείται. (Αντίθετα ο μηχανικός συμπλέκτης ενός χειροκίνητου κιβωτίου παραμένει σε εμπλοκή, διατηρώντας την πεδητική επενέργεια του κινητήρα). 74

4.3.5.3 Ημιαυτόματα κιβώτια ταχυτήτων Τα ημιαυτόματα κιβώτια ταχυτήτων είναι δύο ειδών: - είτε ο οδηγός επιλέγει την επιθυμητή ταχύτητα με το μοχλό ταχυτήτων και η εμπλοκή της κατά την εκκίνηση ή την αλλαγή ταχύτητας κατά την πορεία γίνεται αυτόματα (δηλ. ο οδηγός δεν χειρίζεται τον συμπλέκτη, που συμπλέκεται και αποσυμπλέκεται αυτόματα από έναν μηχανισμό ελέγχου), - είτε ο οδηγός προεπιλέγει μία ταχύτητα ή ακολουθία ταχυτήτων με έναν μοχλό ή πληκτρολόγιο, και η εμπλοκή της εκτελείται με απλό πάτημα του συμπλέκτη (δηλ. ο οδηγός δεν χειρίζεται μοχλό ταχυτήτων, και η εμπλοκή/αλλαγή της αντίστοιχης οδόντωσης γίνεται αυτόματα από έναν μηχανισμό ελέγχου). Το πρώτο είδος χρησιμοποιείται κυρίως σε επιβατικά οχήματα, ενώ το δεύτερο σε επαγγελματικά. 4.4 Υδραυλικός μετατροπέας ροπής Ο υδραυλικός μετατροπέας ροπής επιτελεί τις λειτουργίες της προοδευτικής μεταβίβασης της ροπής του κινητήρα στο σύστημα κίνησης κατά την εκκίνηση και της ελαστικής σύμπλεξης κινητήρα και συστήματος κίνησης κατά την πορεία, όπως και ο υδραυλικός συμπλέκτης. Επί πλέον όμως, ως μετατροπέας ροπής, επαυξάνει σημαντικά τη ροπή που μεταβιβάζεται στο σύστημα κίνησης κατά την εκκίνηση και αρχική επιτάχυνση του οχήματος, διευκολύνοντας έτσι την υπερνίκηση των σχετικών αντιστάσεων. Υδραυλικοί μετατροπείς ροπής χρησιμοποιούνται σε όλα σχεδόν τα αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων και σε πολλά κιβώτια αλλαγής ταχυτήτων υπό φορτίο. Χρησιμοποιούνται ακόμα και σε κιβώτια αλλαγής ταχυτήτων εκτός φορτίου, σε συνδυασμό όμως με μηχανικό συμπλέκτη, ώστε να είναι δυνατή η αποσύμπλεξη του κινητήρα για αλλαγή ταχύτητας. Η βασική κατασκευαστική διαφορά ενός υδραυλικού μετατροπέα ροπής από έναν υδραυλικό συμπλέκτη είναι η παρεμβολή μεταξύ στροβίλου και αντλίας μίας ακίνητης φτερωτής, του στάτη (Σχ.4.4.1). Έτσι σε αντίθεση με τον υδραυλικό συμπλέκτη οι ροπές κινητήριας και κινούμενης ατράκτου δεν είναι ίσες, αλλά ισχύει η εξίσωση: 75

Σχ.4.4.1 Σχηματική παράσταση υδραυλικού μετατροπέα ροπής. M M M 0, (4.4.1) 1 2 R όπου M 1, M 2 και M R οι ροπές της αντλίας, του στροβίλου και του στάτη αντίστοιχα. Ενώ δηλ. στον υδραυλικό συμπλέκτη μεταξύ αντλίας και στροβίλου εμφανίζεται μόνον διαφορά στροφών, στον υδραυλικό μετατροπέα ροπής εμφανίζεται διαφορά στροφών και διαφορά ροπής. Όπως και σε έναν υδραυλικό συμπλέκτη, η ροπή της αντλίας Μ 1 δίνεται από τη σχέση: M, (4.4.2) 5 1 D 2 1 όπου ρ : η πυκνότητα του υδραυλικού λαδιού, ω 1 = 2πn 1 : η γωνιακή ταχύτητα της αντλίας, D : η διάμετρος της φτερωτής της αντλίας και λ : συντελεστής εξαρτώμενος από την κατασκευή του μετατροπέα και το λόγο στροφών στροβίλου αντλίας ν = n 2 /n 1. Στο Σχ.4.4.2 παριστάνεται για σταθερές στροφές της αντλίας n 1 η μεταβολή των ροπών αντλίας και στροβίλου Μ 1 και Μ 2 και του βαθμού απόδοσης της σύμπλεξης η ενός υδραυλικού μετατροπέα ροπής συναρτήσει των στροφών του στροβίλου n 2 (ή του λόγου στροφών στροβίλου αντλίας ν). Κατά την έναρξη της περιστροφής του στροβίλου (ν = 0) η ροπή επί του στροβίλου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν της αντλίας. Καθώς αυξάνονται οι στροφές του στροβίλου, δηλ. ο λόγος στροφών ν, η ροπή επί του στροβίλου μειώνεται, μέχρι να μηδενισθεί για ν = 1. 76

Σχ.4.4.2 Μεταβολή των ροπών αντλίας και στροβίλου M 1 και M 2 και του βαθμού απόδοσης η υδραυλικού μετατροπέα ροπής για λειτουργία της αντλίας σε σταθερό αριθμό στροφών. Ο βαθμός απόδοσης της σύμπλεξης είναι: P2 P 1 M M 2 1 2 1 M M 2 1 n n 2 1, (4.4.3) όπου μ = Μ 2 /Μ 1 ο λόγος ροπών και ν = n 2 /n 1 ο λόγος στροφών στροβίλου αντλίας. Ο βαθμός απόδοσης φθάνει τη μέγιστη τιμή του (περίπου 0,9, μικρότερη του υδραυλικού συμπλέκτη) σε σχετικά μικρό λόγο στροφών ν και στη συνέχεια μειώνεται, για να μηδενισθεί όταν οι στροφές του στροβίλου εξισωθούν με αυτές της αντλίας. Προκειμένου να συνδυασθούν τα πλεονεκτήματα του υδραυλικού συμπλέκτη και του υδραυλικού μετατροπέα ροπής, στους υδραυλικούς μετατροπείς ροπής Trilok (Σχ.4.4.3) ο στάτης εδράζεται σε μονόφορη έδραση, που επιτρέπει την περιστροφή του μόνον κατά τη φορά περιστροφής του στροβίλου. Μέχρι το σημείο C εξίσωσης των ροπών αντλίας και στροβίλου του διαγράμματος του Σχ.4.4.2 η ροπή που ασκεί το λάδι επί του στάτη έχει φορά αντίθετη από τη ροπή που ασκεί επί του στροβίλου. Η κίνηση του στάτη εμποδίζεται από τη μονόφορη έδραση και ο υδραυλικός μετατροπέας λειτουργεί όπως περιγράφηκε. Μετά το σημείο C, η ροπή επί του στάτη αλλάζει φορά και τείνει να τον περιστρέψει κατά τη φορά περιστροφής του στροβίλου. Λόγω της μονόφορης έδρασης ο στάτης δεν μπορεί να παραλάβει ροπή προς αυτή τη φορά και παρασύρεται από τη ροή του λαδιού ακολουθώντας το στρόβιλο στην περιστροφή του. Ο υδραυλικός μετατροπέας λειτουργεί πλέον σαν υδραυλικός συμπλέκτης και η ροπή της αντλίας 77

Σχ.4.4.3 Υδραυλικός μετατροπέας ροπής Trilok, με μονόφορη έδραση του στάτη. είναι ίση με αυτήν του στροβίλου (Σχ.4.4.4). Επειδή οι φτερωτές των μετατροπέων ροπής έχουν καμπύλα πτερύγια, σχεδιασμένα για τη φάση της λειτουργίας τους ως μετατροπέων (ενώ τα πτερύγια των υδραυλικών συμπλεκτών είναι επίπεδα), ο βαθμός απόδοσης ενός μετατροπέα κατά τη λειτουργία του ως υδραυλικού συμπλέκτη είναι λίγο μικρότερος από ότι ενός υδραυλικού συμπλέκτη, λόγω των υδροδυναμικών απωλειών που προξενούν τα καμπύλα πτερύγια, ιδίως του στάτη, σε υψηλούς λόγους στροφών ν. Σχ.4.4.4 Μεταβολή των μεγεθών υδραυλικού μετατροπέα ροπής Trilok για λειτουργία της αντλίας σε σταθερό αριθμό στροφών. Η μεταβολή της ροπής της αντλίας Μ 1 με τις στροφές του στροβίλου στα διαγράμματα των Σχ.4.4.2 και 4.4.4 οφείλεται στην εξάρτηση του συντελεστή λ της εξ.4.4.2 από το λόγο στροφών 78

ν. Η καμπύλη μεταβολής του λ με το λόγο στροφών ν είναι καθοριστικής σημασίας για τη συνεργασία του κινητήρα ενός οχήματος με έναν υδραυλικό μετατροπέα ροπής. Για τον απλό μετατροπέα Trilok του Σχ.4.4.3 ο λ παραμένει περίπου σταθερός σε όλο το εύρος μεταβολής του ν. Με τη χρησιμοποίηση διαφόρων τύπων μετατροπέων συχνά πολυβάθμιων, δηλ. με περισσότερες φτερωτές στροβίλου ή στάτη και με κατάλληλη διαμόρφωση των πτερυγίων τους επιτυγχάνονται διαφορετικές καμπύλες λ ν, που ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις διαφορετικών εφαρμογών (Σχ.4.4.5). Λόγω του υψηλού βαθμού απόδοσης και της σχετικά απλής κατασκευής τους οι μετατροπείς Trilok είναι οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι (σε επιβατικά οχήματα αποκλειστικά ως μονοβάθμιοι). Σχ.4.4.5 Διάφοροι τύποι υδραυλικών μετατροπέων ροπής και οι αντίστοιχες καμπύλες μεταβολής του συντελεστή λ και του λόγου ροπών μ συναρτήσει του λόγου στροφών ν: α) μονοβάθμιος με περίπου σταθερό λ, b) τριβάθμιος με έντονα πτωτικό λ, c) τριβάθμιος με περίπου σταθερό λ, d) διβάθμιος Trilok (P: αντλία, T: στρόβιλος, R: στάτης). 4.4.1 Συνεργασία κινητήρα υδραυλικού μετατροπέα ροπής Ο υδραυλικός μετατροπέας ροπής παρεμβάλλεται μεταξύ του κινητήρα και ενός μηχανικού κιβωτίου ταχυτήτων. Aν πρόκειται για μετατροπέα Trilok, η σχέση στροφών του ν μεταβάλλεται μεταξύ 0 και 0,97 0,98 (το σημείο βέλτιστου βαθμού απόδοσης για λειτουργία ως συμπλέκτη) 79

και η σχέση ροπών του μ μεταξύ τη μέγιστης τιμής για ακίνητο στρόβιλο (2,0 3,5 ή και υψηλότερη σε επαγγελματικά οχήματα) και 1,0 για λειτουργία ως συμπλέκτη. Η περιοχή στροφών και ροπών στην οποία μπορεί να λειτουργεί ένας κινητήρας συνδεδεμένος με έναν υδραυλικό μετατροπέα ροπής καθορίζεται από το μέγεθος, δηλ. τη διάμετρο D του μετατροπέα, και από τη συνάρτηση λ(ν) μεταβολής του συντελεστή λ με το λόγο στροφών στροβίλου αντλίας ν (εξ.4.4.2). Σαν διάμετρος D λαμβάνεται συνήθως η διάμετρος της μεγαλύτερης φτερωτής του μετατροπέα (Σχ.4.4.5). Αν ο κινητήρας είναι απ ευθείας συνδεδεμένος με την αντλία, οι στροφές και η ροπή της αντλίας είναι ίσες με αυτές του κινητήρα. Αν σπανίως μεσολαβεί μία βαθμίδα μείωσης των στροφών, η σχέση στροφών και ροπών αντλίας κινητήρα παραμένει επίσης σταθερή. Εάν ο συντελεστής λ είναι σταθερός (όπως περίπου συμβαίνει με τους μετατροπείς a και c του Σχ.4.4.5), η ροπή της αντλίας Μ 1 είναι συνάρτηση αποκλειστικά των στροφών της, και ο μετατροπέας, και συνεπώς και ο κινητήρας, λειτουργεί επί της παραβολής Α που ορίζεται από την εξ.4.4.2 (Σχ.4.4.6). Κατά την εκκίνηση του οχήματος οι στροφές αντλίας, δηλ. του κινητήρα, ανεβαίνουν γρήγορα, καθώς το σημείο λειτουργίας του κινητήρα μετατοπίζεται κατά μήκος της παραβολής Α, μέχρι η ροπή που ασκεί η αντλία στον ακόμη ακίνητο στρόβιλο να φθάσει την τιμή της ροπής εκκίνησης Μ s του οχήματος (σημείο S στο Σχ. 4.4.6). Στο σημείο αυτό αρχίζει να κινείται ο στρόβιλος και συνεπώς το όχημα. Καθώς επιταχύνεται ο στρόβιλος, η σχέση στροφών ν αυξάνεται, ενώ η σχέση ροπών μ μειώνεται (Σχ. 4.4.5). Το σημείο λειτουργίας του κινητήρα κινείται πάνω στην καμπύλη Α λειτουργίας της αντλίας, είτε προς ψηλότερες είτε προς χαμηλότερες στροφές, με τρόπο που η ροπή του στροβίλου Μ 2 να παραμένει ίση προς την Σχ.4.4.6 Συνεργασία κινητήρα υδραυλικού μετατροπέα ροπής με σταθερό συντελεστή λ. Η παραβολή Β αντιστοιχεί σε μετατροπέα όμοιο με της παραβολής Α (με τον ίδιο λ) με μικρότερη διάμετρο. 80

αντίσταση κίνησης του οχήματος. Το όριο λειτουργίας του κινητήρα είναι το σημείο S m τομής της καμπύλης Α με την καμπύλη μέγιστης ροπής του κινητήρα M m. Στο Σχ. 4.4.6 φαίνεται και η επίδραση του μεγέθους (της διαμέτρου D) του μετατροπέα στην καμπύλη λειτουργίας του. Σύμφωνα με την εξ.4.4.2 μικρότερη διάμετρος συνεπάγεται μικρότερη ροπή για τις ίδιες στροφές ή περισσότερες στροφές για την ίδια ροπή, δηλ. «μαλακότερο» μετατροπέα, λόγω μετατόπισης της καμπύλης λειτουργίας προς τα δεξιά και μείωσης της κλίσης της (καμπύλη Β). Η λειτουργία του μετατροπέα με σταθερό συντελεστή λ παρουσιάζει το μειονέκτημα ότι ο κινητήρας λειτουργεί μόνον επί της παραβολής που ορίζεται από το συντελεστή λ και συνεπώς δεν μπορεί να λειτουργήσει στο μέγιστο αριθμό στροφών του, όπου αποδίδει τη μέγιστη ισχύ. Αν εκλεγεί μετατροπέας τέτοιος που το σημείο S m στο Σχ.4.4.6 να αντιστοιχεί στις μέγιστες στροφές του κινητήρα, τότε ο κινητήρας δεν μπορεί αποδώσει τη μέγιστη ροπή του. Αν ο συντελεστής λ είναι φθίνουσα συνάρτηση του λόγου στροφών ν, ο μετατροπέας, άρα και ο κινητήρας, λειτουργούν πάνω σε ένα σμήνος παραβολών που αντιστοιχούν στις διαφορετικές τιμές που παίρνει ο λ καθώς μεταβάλλεται ο ν (Σχ.4.4.7). Επειδή ο λ μειώνεται με την αύξηση του λόγου στροφών ν, οι παραβολές λειτουργίας για μεγαλύτερες τιμές του ν είναι μετατοπισμένες προς τα δεξιά. Κατά την εκκίνηση το κοινό σημείο λειτουργίας της αντλίας του μετατροπέα και του κινητήρα μετατοπίζεται κατά μήκος της παραβολής που αντιστοιχεί σε λειτουργία του μετατροπέα με λόγο στροφών ν 0 = 0, δηλ. με ακίνητο στρόβιλο. Κατά την πορεία, καθώς ο λόγος στροφών ν μεταβάλλεται, το σημείο λειτουργίας του κινητήρα κινείται μέσα στην περιοχή που ορίζεται από τις δύο οριακές παραβολές λειτουργίας του μετατροπέα για λόγους Σχ.4.4.7 Συνεργασία κινητήρα υδραυλικού μετατροπέα ροπής με συντελεστή λ φθίνουσα συνάρτηση του λόγου στροφών ν. 81

στροφών ν 0 και ν max και από την καμπύλη μέγιστης ροπής του κινητήρα Μ m, με τρόπο που η μεταφερόμενη στο στρόβιλο ροπή Μ 2 να είναι πάντα ίση προς την εκάστοτε ροπή αντίστασης κίνησης του οχήματος. Συνήθως ο μετατροπέας επιλέγεται έτσι ώστε το σημείο τομής της παραβολής για ν = 0 με την καμπύλη Μ m να είναι περίπου το σημείο μέγιστης ροπής του κινητήρα, και το σημείο τομής της παραβολής για ν max περίπου το σημείο μέγιστης ισχύος του (Σχ.4.4.7). Έτσι κατά την εκκίνηση και σε χαμηλές ταχύτητες του οχήματος ο κινητήρας μπορεί να αποδώσει τη μέγιστη ροπή του, ενώ σε υψηλές ταχύτητες τη μέγιστη ισχύ του. Αν κατά την πορεία με πλήρες φορτίο του κινητήρα, επί της καμπύλης M m (ή με μερικό φορτίο, με σταθερή θέση του πεντάλ καυσίμου, επί μίας αντίστοιχης καμπύλης χαμηλότερα, Σχ.4.4.7) αυξηθεί η αντίσταση πρόωσης, η επακόλουθη μείωση της ταχύτητας του οχήματος, και άρα των στροφών του στροβίλου, προξενεί ελάττωση του λόγου στροφών ν και μετατόπιση της καμπύλης λειτουργίας της αντλίας προς τα αριστερά, δηλ. ελάττωση («συμπίεση») των στροφών του κινητήρα και αύξηση της ροπής του. Συγχρόνως αυξάνεται ακόμη περισσότερο η ροπή στο στρόβιλο, λόγω της αύξησης του λόγου ροπών μ που προξενεί η μείωση του ν (Σχ.4.4.5). Χάρη σε αυτή την πρόσθετη αύξηση της ροπής η συμπίεση του κινητήρα είναι πολύ μικρότερη από ότι για την ίδια μεταβολή αντίστασης με ένα μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων, στο οποίο ο λόγος ροπών παραμένει σταθερά ίσος προς την επιλεγμένη σχέση μετάδοσης, με συνέπεια η απαιτούμενη αύξηση της ροπής να πρέπει να καλυφθεί μόνον από την καμπυλότητα των καμπύλων σταθερού φορτίου του κινητήρα. Λόγω της δυνατότητας που παρέχουν στον κινητήρα να λειτουργεί στο κατάλληλο για κάθε περίσταση σημείο λειτουργίας, οι υδραυλικοί μετατροπείς ροπής με πτωτικό συντελεστή λ, ή με συμπίεση των στροφών, όπως ονομάζονται, είναι αυτοί που σχεδόν αποκλειστικά χρησιμοποιούνται σε οχήματα. Μετατροπείς με λ αύξουσα συνάρτηση του λόγου στροφών ν είναι ακατάλληλοι για οχήματα, γιατί μία αύξηση της αντίστασης πρόωσης και συνεπώς μείωση του λόγου στροφών ν προκαλεί μείωση του συντελεστή λ, δηλ. μετατοπίζει την καμπύλη λειτουργίας τους προς τα δεξιά, αυξάνοντας τις στροφές και μειώνοντας τη ροπή του κινητήρα. Αν για τα σημεία τομής της καμπύλης πλήρους φορτίου του κινητήρα Μ m με τις παραβολές λειτουργίας του μετατροπέα για διαφορετικούς λόγους στροφών ν στο Σχ.4.4.7 υπολογισθούν οι στροφές n 2 = ν n 1, ο λόγος ροπών μ (από τα διαγράμματα του Σχ.4.4.5) και η ροπή M 2 = μ M 1 του στροβίλου, προκύπτει η καμπύλη ροπής στροφών του στροβίλου για πλήρες φορτίο του κινητήρα. Με τον ίδιο τρόπο υπολογίζεται και η καμπύλη ροπής στροφών του στροβίλου για 82

κάθε καμπύλη μερικού φορτίου, όπως αυτή του Σχ.4.4.7, και κατ επέκταση οι αντίστοιχες καμπύλες δύναμης πρόωσης ταχύτητας του οχήματος, δηλ. το διάγραμμα κίνησης του οχήματος (Σχ.4.4.8). Σχ.4.4.8 Καμπύλες ροπής στροφών του στροβίλου μετατροπέα Trilok για πλήρες και μερικά φορτία του κινητήρα (διάγραμμα κίνησης του οχήματος). Φαίνονται τα όρια ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του εμπλοκέα. Οι τεθλασμένες γραμμές που φαίνονται στο Σχ.4.4.8 αφορούν τον αυτόματο χειρισμό του εμπλοκέα (lock up clutch), με τον οποίο είναι συχνά εφοδιασμένος ένας μετατροπέας Trilok, για την εξασφάλιση ομαλότερης λειτουργίας του μετατροπέα κατά τη λειτουργία του ως συμπλέκτη, αλλά και κατά τη μετάβαση από τη φάση του μετατροπέα σε αυτήν του συμπλέκτη και αντίστροφα. Ο εμπλοκέας συνδέει σταθερά τις φτερωτές στροβίλου και αντλίας, αδρανοποιώντας το μετατροπέα και ανεβάζοντας το βαθμό απόδοσης της σύμπλεξης η περίπου στο 100% (Σχ4.4.9). Συνήθως ενεργοποιείται σε συγκεκριμένο λόγο στροφών ν, μετά τη μετάβαση στη φάση του συμπλέκτη (δεξιά γραμμή) και απενεργοποιείται μετά τη μετάβαση στη φάση του μετατροπέα (αριστερή γραμμή), ενώ μπορεί να διαθέτει και δυνατότητα άμεσης απενεργοποίησης (kick down), με την οποία ο χειριστής μπορεί κατά βούληση να ενεργοποιεί τον εμπλοκέα. Στην περίπτωση αυτή το πρόγραμμα αλλαγής ταχυτήτων των αυτόματων κιβωτίων ταχυτήτων παύει να ανταποκρίνεται στις συνθήκες πορείας και είναι αναγκαία η χρήση μηχανικού συμπλέκτη. 83

Σχ.4.4.9 Λειτουργία του εμπλοκέα ενός υδραυλικού μετατροπέα Trilok. Η επίδραση της παρεμβολής υδραυλικού μετατροπέα ροπής μεταξύ κινητήρα και μηχανικού κιβωτίου ταχυτήτων φαίνεται στο παράδειγμα του Σχ.4.4.10, όπου παρουσιάζεται το διάγραμμα κίνησης ενός οχήματος πριν και μετά την παρεμβολή του μετατροπέα. Στη δεύτερη περίπτωση η ροπή εξόδου (στροβίλου) του μετατροπέα αντικαθιστά τη ροπή της ατράκτου του κινητήρα ως ροπή εισόδου στο κιβώτιο ταχυτήτων. Δηλαδή οι δυνάμεις πρόωσης (ροπές) του δεύτερου διαγράμματος προκύπτουν από τις αντίστοιχες του πρώτου με πολλαπλασιασμό επί τον εκάστοτε λόγο ροπών μ του μετατροπέα. Είναι εμφανές ότι σε χαμηλές ταχύτητες του οχήματος με τον υδραυλικό μετατροπέα είναι δυνατή η κάλυψη πολύ μεγαλύτερων μεταβολών της αντίστασης (δύναμης) πρόωσης του οχήματος (πχ. κλίσεων του εδάφους) χωρίς αλλαγή ταχύτητας του μηχανικού κιβωτίου ταχυτήτων. Σε ελαφρά οχήματα (πχ. επιβατικά) χρησιμοποιούνται μετατροπείς με σχετικά μικρό αρχικό λόγο ροπών μ 0 (ν = 0) (συνήθως μικρότερο του 2,5) και συνεπώς μέτρια κλίση της καμπύλης πλήρους φορτίου του Σχ.4.4.8, που επαρκούν για την εκκίνηση του οχήματος κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες, ενώ διατηρούν αρκετά μεγάλη ροπή για ικανοποιητική επιτάχυνση του οχήματος ακόμα και σε υψηλές ταχύτητες. Σε βαριά οχήματα (πχ. οχήματα δομικών έργων) προτιμούνται μετατροπείς με υψηλότερο αρχικό λόγο ροπών μ 0 (μεγαλύτερο του 3), άρα πιο απότομη καμπύλη μέγιστης ροπής, επειδή παρέχουν μεγαλύτερη ροπή κατά την εκκίνηση και κατά την κίνηση του οχήματος με χαμηλές ταχύτητες, στις οποίες σε βαριά οχήματα παρουσιάζονται και οι μεγαλύτερες αντιστάσεις κίνησης, και παρουσιάζουν μικρότερη «συμπίεση» (μείωση στροφών) του κινητήρα για την ίδια αύξηση της αντίστασης πρόωσης ή μεγαλύτερη αύξηση ροπής για την ίδια μείωση ταχύτητας (Σχ.4.4.11). 84

Σχ.4.4.10 Διάγραμμα κίνησης επιβατικού οχήματος πριν και μετά την παρεμβολή υδροδυναμικού μετατροπέα ροπής Trilok μεταξύ του κινητήρα και του μηχανικού κιβωτίου (5 ταχυτήτων). 85

Σχ.4.4.11 Καμπύλες μ(ν) υδραυλικών μετατροπέων ροπής επιβατικού (α) και βαρέος (β) οχήματος. 4.4.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης υδραυλικού μετατροπέα ροπής Η παρεμβολή ενός υδροδυναμικού μετατροπέα ροπής στο σύστημα μετάδοσης κίνησης ενός οχήματος προσφέρει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: - Απόσβεση των μεταβιβαζόμενων στον κινητήρα δονήσεων και κραδασμών από τις ανωμαλίες του εδάφους, λόγω ελαστικότερης μετάδοσης της κίνησης. - Μεγαλύτερη επιτάχυνση κατά την εκκίνηση, λόγω της δυνατότητας του κινητήρα να αναπτύσσει υψηλές στροφές και αντίστοιχα υψηλή ροπή όσο ο στρόβιλος, δηλ. το όχημα, είναι ακόμη ακίνητο ή κινείται με πολύ μικρή ταχύτητα (ενώ με έναν μηχανικό συμπλέκτη η εκκίνηση γίνεται με τον αριθμό στροφών του ρελαντί), και λόγω της αύξησης της ροπής μεταξύ αντλίας και στροβίλου. - Δυνατότητα χρησιμοποίησης μηχανικού κιβωτίου ταχυτήτων με μικρότερο αριθμό σχέσεων μετάδοσης, αφού ο ίδιος ο μετατροπέας λειτουργεί σαν κιβώτιο ταχυτήτων συνεχώς μεταβλητής σχέσης μετάδοσης εν σειρά με το μηχανικό, διευρύνοντας το πεδίο τιμών ροπής πρόωσης που μπορεί να αναπτυχθεί με κάθε υψηλή σχέση μετάδοσης του μηχανικού κιβωτίου (δηλ. σε χαμηλές έως μέσες ταχύτητες του οχήματος). - Για τον ίδιο λόγο μικρότερη συχνότητα αλλαγής ταχυτήτων κατά την πορεία με χαμηλή έως μέση ταχύτητα του οχήματος με μεταβαλλόμενη αντίσταση (πχ. κλίσεις του δρόμου ή μεταβολές του συντελεστή αντίστασης κύλισης). - Μικρότερη από ότι με μηχανικό συμπλέκτη «συμπίεση» του κινητήρα, δηλ. μείωση της ταχύτητας του οχήματος, για τη ίδια αύξηση της αντίστασης πορείας, χάρη στην επιπρόσθετη 86

αύξηση της ροπής στο στρόβιλο λόγω της αύξησης του λόγου ροπών μ με τη μείωση του λόγου στροφών ν, πράγμα ιδιαίτερα σημαντικό για βαριά οχήματα ανωμάλου εδάφους (μηχανήματα έργων). - Λόγω έλλειψης φθειρόμενων μερών ελάχιστο κόστος συντήρησης, που περιορίζεται στην αντιμετώπιση ενδεχόμενων σπάνιων διαρροών. Τα μειονεκτήματα της παρεμβολής του υδροδυναμικού μετατροπέα ροπής είναι: - Αδυναμία απεμπλοκής του κιβωτίου ταχυτήτων. - Μικρότερος βαθμός απόδοσης έναντι της μηχανικής μετάδοσης. - Κατά την επιτάχυνση του οχήματος με δεδομένη σχέση μετάδοσης του μηχανικού κιβωτίου ταχυτήτων, εκτός από τη μείωση της ροπής που προξενεί η αύξηση των στροφών του κινητήρα (λόγω της καμπυλότητας των καμπύλων ροπής στροφών πλήρους και μερικού φορτίου του κινητήρα), η ροπή στο στρόβιλο μειώνεται ακόμη περισσότερο λόγω της μείωσης του λόγου ροπών μ συνεπεία της αύξησης του λόγου στροφών ν. Πρόκειται δηλ. για το αντίθετο φαινόμενο από την αντίστοιχη αύξηση της ροπής κατά την επιβράδυνση του οχήματος. - Αυξημένο κόστος αγοράς σε σχέση με μηχανική μετάδοση ίδιου εύρους σχέσεων μετάδοσης. 87