Převodovky 2

end-logo
Sdílejte:

autor & copyright Jiří Čech

Převodná ústrojí – II. část

 

 

Převodovky:

 

Převodovka obecně slouží ke změně otáček motoru. Změnou otáček dosahujeme zvýšení síly (kroutícího momentu) pohonné jednotky při snížení úhlové rychlosti výstupní hřídele, nebo také naopak. Teoreticky platí, že přenesený výkon je stejný, pouze se zvýší síla na hřídeli při poklesu otáček, nebo se síla zmenší při zvýšení otáček. Prakticky je přenos výkonu vždy ztrátový vlivem účinnosti převodu. Dobrá převodovka je ta, která má celkovou účinnost vyšší než 93%. Celkové ztráty v převodech při pohonu jedné nápravy by neměly příliš klesnout pod 85%. Uvedená čísla platí pro převodná ústrojí osobních automobilů, u nákladních vozidel určených pro jízdu v terénu vychází často účinnosti ještě nižší, ukázkovým příkladem je Praga V3S, která má ještě v každém ze šesti kol redukční převod, který je nutností z důvodu použití portálových náprav pro zvýšení světlé výšky vozu.

 

Teď maličko teorie. Na obr. 9 je znázorněna křivka požadované hnací síly na nápravě pro provoz vozidla. Největší tažná síla je v nejnižší rychlosti, nejnižší při rychlosti nejvyšší. Křivka udává plynulou změnu převodového poměru za jízdy při konstantním výkonu motoru, tedy jak je nutné změnit velikost točivého momentu v závislosti na jízdních odporech (nastaví-li se určitý výkon motoru – otáčky a otevření škrtící klapky, změna převodu podle uvedené křivky zajistí udržení konstantních otáček motoru podle profilu cesty, rychlost se sice bude měnit, a to docela výrazně podle stoupání a klesání, ale motor bude provozován v optimálním režimu ohledně spotřeby paliva). Tato rovnoosá hyperbola je základní křivkou, od které se odvíjí návrh převodovky. Skutečná křivka hnací síly musí být shodná, nebo lépe nad průběhem uvedené křivky. Leží-li skutečná křivka hnací síly nad touto křivkou, zůstává rezerva pro akceleraci nebo jízdu do stoupání. Vzdálenost od této křivky by ale neměla být nadměrná, protože v tom případě by byl převod příliš předimenzovaný a motor by neběžel v optimálním režimu. Pokud leží skutečná křivka pod hyperbolou, není vozidlo schopné provozu jinak než jízdou po rovině nebo z kopce (hnací síla vychází menší, než je potřebná síla pro překonání jízdních odporů).

 

 

Obr. 9     Průběh požadované hnací síly na nápravě

image001

P – hnací síla na nápravě, u – rychlost vozidla

 

Průběh točivého momentu motoru s počtem převodových stupňů (a jejich velikostí) a hodnotou stálého převodu musí zhruba odpovídat příslušným úsekům této křivky, jinak není převodovka správně navržena, má buď labilní stavy, kdy se při určitých rychlostech a velikostech zatížení dostává motor do oblasti, kde jeho výkonová křivka není schopná obsáhnout požadovaný režim provozu, nebo naopak je převodových stupňů příliš mnoho a převodovka není ekonomicky využita (druhý případ je ojedinělý). Na obr. 10 b) je zobrazen průběh tažné síly pro skutečný motor s třístupňovou převodovkou. Podle průsečíku teoretické hyperboly a jednotlivých křivek tažných sil pro jednotlivé stupně přesně na hyperbole (body 1 a 2) je vidět, že sice převodovka splňuje požadavek tažné síly nad hyperbolou, ale motor už nemá žádnou rezervu, průběh jeho momentové charakteristiky je využíván téměř v maximálním rozsahu. V praxi to znamená velké vytáčení motoru při akceleraci nebo jízdě do stoupání a velmi pozdní přeřazování směrem dolů, protože motor by byl přetáčen. Z tohoto důvodu je nutností přidat ještě minimálně jeden převodový stupeň a zmenšit rozestup mezi jednotlivými převody.

 

 

Obr. 10  a) Rozdělení hyperboly na tři úseky, kterým odpovídají rychlostní stupně převodovky

b) Průběh tažné síly při skutečné třístupňové převodovce

image002

 

Na obr. 11 je znázorněno nevhodné zpřevodování, převodovka je pouze dvoustupňová a motor nemá dostatečný rozsah provozních otáček pro pokrytí celého rozsahu jízdních režimů. Vozidlo sice také pojede, ale řazení převodů směrem nahoru se bude provádět při maximálních otáčkách motoru a další převodový stupeň bude způsobovat provoz motoru v otáčkách blízkých volnoběhu, tady přechod z jednoho rychlostního stupně na druhý způsobí velký pokles akcelerace, přeřazení při jízdě do stoupání prakticky nebude možné, protože druhý stupeň je pro nutnou akceleraci do stoupání za účelem přechodu do optimálního režimu (bod B) ohledně momentové křivky motoru příliš těžký. Takové zpřevodování je možné využít pouze pro jízdu po rovině, kde se obecně jízdní odpory nacházejí pod hyperbolou.

 

Obr. 11 Nevhodný průběh zpřevodování, vzniká labilní stav

image003

Co z toho vyplývá? Zpřevodování musí být řešeno v součinnosti s motorem, ke kterému bude příslušet. Motory sportovní s úzkým rozsahem provozních otáček vyžadují více převodových stupňů (5 – 7), motory velkoobjemové s velkým rozsahem provozních otáček nebo velkým točivým momentem se spokojí s převodovkami čtyřstupňovými. Obecně se dnes přechází na převodovky s větším počtem převodových stupňů, protože taková převodovka lépe zajistí provoz motoru v optimálním režimu bez ohledu na průběh momentové křivky. Využití výkonu motoru není dnes na prvním místě, protože výkonu je u dnešních motorů dostatek a kromě toho je maximální rychlost vozidla na veřejných komunikacích ve většině zemí omezena zákonem, ale na řadu přichází ekonomika a ekologie provozu. Motory mají sice dostatečný rozsah provozních otáček, ale měrná spotřeba je nejmenší v užších rozsazích provozních otáček a větší počet převodových stupňů je tedy nutností. Obecně je známý fakt, že nejmenším počtem převodových stupňů pro optimální využití výkonu dnešních motorů z hlediska výkonu a spotřeby je sedm.

 

Velikost převodu se udává číslem, které značí poměr počtu zubů hnaného a hnacího kola, nebo průměrů převodových kol (platí pro plynule měnitelné převody). Čísla větší než 1 označují převod do pomala, čísla menší než 1 označují převody do rychla. Laicky řečeno převod 3,8 znamená, že hnací (vstupní) hřídel vykoná 3,8 otáčky na jednu otáčky hřídele hnaného (výstupního), převod 0,75 znamená, že hnací hřídel vykoná 0,75 otáčky na 1 otáčku hřídele hnaného. Ve stejném poměru se zvýší – sníží velikost točivého momentu na výstupní straně převodu. Celkový rozsah převodů je u benzínových motorů asi 4 – 5 : 1, u vznětových motorů z důvodu menšího rozsahu pracovních otáček motoru 5 – 6 : 1, případně i více, větší rozsahy se používají u nákladních vozidel a vozidel do terénu, kde se používají i tzv. plíživé převody, zajišťující jízdu na nesoudržném podkladu.

 

Pro ztráty v přenosu výkonu od motoru na kola platí, že se všechny účinnosti převodů, kloubových hřídelů a ložisek kol násobí, výsledná ztráta může být velmi překvapivá, čísla okolo 85% nejsou vůbec vzácná, spíše běžná. Na vině je také valivý odpor pneumatik, který se výrazně podílí na celkových ztrátách. Nejhorší účinnost vykazují pohony 4×4, kde jsou tři diferenciály a až 8 homokinetických kloubů. Z tohoto pohledu je pevná zadní náprava výhodnější, odpadnou 4 klouby. Další ztráty přinášejí neřízené samosvorné diferenciály, brzdění kol diferenciálu při průjezdu zatáčkou spotřebovává také energii. V provozu má nejmenší ztrátu případ, kdy jede vozidlo po ideální rovině (kola se nekývají) a rovně, případně má poháněné pouze jedno kolo (takto se upravují vozidla pro Economy Rallye). Ještě bych dodal, že kolo poháněné má menší valivý odpor než kolo volně se otáčející, částečně se tak eliminuje zvýšení ztrát u pohonů 4×4.

 

Zvýšení kroutícího momentu motoru převodovkou je za provozu vozidla nutné, motor s přiměřeným momentem pro danou aplikaci (rozjezd vozidla, překonávání velkých stoupání) by byl velmi velký a v dalším provozu nevyužitý. Typickým příkladem je rozjezd vozidla, kdy se musí točivý moment zvýšit až 20x (záleží na výkonu motoru, hmotnosti vozidla a sklonu vozovky). Pro tak velký rozdíl točivého momentu se celkový převod rozděluje na dvě části – převodovku a stálý převod. Stálý převod je neměnný a jeho součástí je i diferenciál, který rozděluje točivý moment na obě kola nápravy podle jejich zatížení. Diferenciál je součástí stálého převodu vždy, proto když se řekne v běžné praxi „diferenciál“, bývá myšleno spojení stálého převodu s diferenciálem. Není to sice technicky správné, ale v praxi je to velmi používané („hučí mi diferák“ je nejčastější věta při označování závady na soukolí stálého převodu). Převodovka má několik stupňů, které je možné zařazovat podle potřeby (většinou jen jedno ze soukolí, jen u mnohastupňových převodovek těžkých nákladních automobilů se řadí uvnitř převodovky najednou soukolí několik, sníží se tak počet převodových kol).

 

Převodové poměry stálého převodu a převodovky se násobí, proto při zařazeném I. rychlostním stupni (převod 3,8) a stálém převodu 4,22 vychází celkový převod 16,036. Nesmíme zapomínat na vliv průměru pneumatiky, změna průměru má také na celkové zpřevodování vliv, u menšího průměru je výsledná tažná síla větší a dosažitelná rychlost menší. Když si uvědomíte, jak velká ozubená kola jsou potřebná pro převod 16:1, je vám jasné, že vyrábět převodovku s takovými převodovými poměry není rozumně rozměrově řešitelné a tak rozdělení na dva převody je technickou nutností. Nějaké ozubení totiž pro pohon diferenciálu stejně potřebujeme, takže rozdělení na převody měnitelné a stálý (pevný) převod se nabízí automaticky.

 

Převodovky rozdělujeme na mechanické (několikastupňové ručně řazené), automatizované, automatické, se dvěma spojkami a plynule měnitelné. Dále existují převody hydraulické, hydrostatické a elektrické, které se používají ve zvláštních případech, většinou pro přenos velmi velkých výkonů nebo pro speciální použití v případech, kde mechanické typy nevyhovují svými vlastnostmi. Tyto nemechanické převody mají ale vždy nižší účinnost, než převody mechanického typu.

Mechanická převodovka pro osobní automobily je v našich končinách nejrozšířenějším typem, vyrábí se dnes prakticky pouze v pěti a šestistupňovém provedení. Její výroba je relativně levná a dobře technologicky zvládnutá, hmotnost převodovky je přiměřená velikosti a přenášenému výkonu a patří k lehčím typům. Automatické převodovky se vyrábí v klasickém provedení s hydrodynamickým měničem točivého momentu, který nahrazuje třecí spojku a planetovými převody nebo i s klasickým soukolím, dále v provedení bez hydrodynamického měniče se dvěma spojkami, klasickým evolventním soukolím a rozvětveným přenosem výkonu. U druhého typu se ruční řazení jednotlivých stupňů řeší pomocí malé páčky nebo tlačítek „nahoru – dolů“. Převodovky s plynulým převodem (bezstupňové, nebo chcete-li s nekonečným počtem převodových stupňů) se vyrábějí omezeně, hlavně pro malé výkony, i když jsou vyvinuté převodovky pro přenos točivého momentu nad 300 Nm. Převodovky se plynulým převodem mají několik technických provedení, jejich nevýhodou je obecně nižší účinnost a vysoké nároky na přesnost výroby, výhodou je možnost nastavit libovolný převodový poměr a tak optimalizovat chod motoru, nižší účinnost s optimalizací chodu motoru se vzájemně téměř vyruší a tak největší výhodou je zcela automatický provoz, změnu převodu určuje počítač podle provozních poměrů. Změna převodu je možná za plného přenosu výkonu, dobře navržený systém by měl mít lepší akcelerační schopnosti oproti stupňovým převodovkám.

 

Součástí každé převodovky je zpětný chod, pro terénní vozidla může být i vícestupňový. Zpětný chod má převod blízký I. stupni, protože musí zajistit spolehlivý rozjezd vozidla i do stoupání.

 

Konstrukce převodovek je závislá na umístění motoru (vpředu, vzadu, podélně, napříč) a přenášeném výkonu. Počet převodových stupňů se volí podle výkonové charakteristiky motoru. Dříve, kdy motory měly velké objemy a nízké provozní otáčky, křivka točivého momentu byla plochá a spotřeba paliva se nesledovala, stačily převodové stupně tři. Většinou se takové motory chovaly podobně jako traktor, na I. stupeň se auto rozjelo, zařadil se postupně III. stupeň a na něj se jelo až do cíle cesty bez velkého ohledu na sklon vozovky. Krok mezi stupni byl velký a tak motor často neběžel v optimálním režimu, zvláště při jízdě do větších stoupání, kde již III. stupeň nestačil, byl naopak II. stupeň málo a motor běžel ve zbytečně vysokých otáčkách. Později se snižujícím se objemem motorů a méně plochými křivkami točivého momentu, které jsou u pevně nastaveného rozvodu nutné pro dosažení vyššího výkonu, se přidal stupeň čtvrtý. Dnešní vozidla jsou vybavována minimálně pětistupňovými převodovkami, které umožní lépe využít točivý moment motoru a udržet provozní otáčky v optimálnějším režimu. U dražších modelů se používají převodovky šestistupňové s ručním i automatizovaným řazením. Převodovka se při umístění motoru u hnané nápravy slučuje do jednoho celku se stálým převodem a diferenciálem, uspoří se místo, a sníží se hmotnost (a výrobní náklady) převodů. U motorů umístěných vpředu napříč je to dnes nejvíce používané řešení.

 

Obr. 12   Tříhřídelová převodovka klasické konstrukce

image004

 

1 – hnací hřídel,  2 – předlohový hřídel,  3 – výstupní hřídel

 

 

Z pohledu konstrukce rozdělujeme mechanické převodovky pro osobní a lehké nákladní automobily na dvou a tříhřídelové. Převodovky pro nákladní vozidla s velkým počtem převodových stupňů mohou mít hřídelů více. Dvouhřídelová převodovka se používá hlavně při spojení se stálým převodem v jedné skříni, vstupní a výstupní hřídel není ve stejné ose, což mnohdy umožní lépe vyřešit přenos ke stálému převodu. Tříhřídelová převodovka se vyznačuje souosostí vstupního a výstupního hřídele, používá se proto u vozidel s motorem vpředu a pohonem zadních kol. Její výhodou je tzv. přímý záběr, kdy se vstupní a výstupní hřídel propojí ozubenou spojkou a bez převodu (resp. s převodem 1 bez ozubeného soukolí) se přenáší výkon motoru k poháněné nápravě. Při tomto „převodu“ jsou mechanické ztráty nejmenší možné. Naopak při zařazení ostatních stupňů je výkon přenášen vždy přes dvě ozubená soukolí a účinnost převodu klesá. Přenos přes dvě ozubená soukolí znamená menší převodový poměr u jednotlivých soukolí (oba převody se násobí), kola jsou tedy menší a proto je tříhřídelová převodovka kompaktnější a rozměrově menší. Přímý záběr se používá jako stupeň nejvyšší a nejvíce se projeví sníženou spotřebou paliva při dálničním provozu.

 

Na obr. 12 a 13 je konstrukce klasických tříhřídelových převodovek. První soukolí (zleva) na hnacím hřídeli 1 je v trvalém záběru a pohání předlohový hřídel. První soukolí od hnaného hřídele (zprava) je soukolí I. rychlostního stupně a směrem doleva pokračují další dva rychlostní stupně. Součin převodu soukolí v trvalém záběru a převodu soukolí každého stupně je celkovým převodem jednotlivých rychlostních stupňů. Přímý záběr (IV. rychlostní stupeň) se řadí propojením hnacího a hnaného hřídele synchronizační spojkou u převodu v trvalém záběru. Pátý stupeň (obr. 14) je zde rychloběhem a je umístěn až u zadní stěny přístavby převodovky. Zpětný chod je umístěn mezi I. a II. převodovým stupněm, případně až v přístavbě převodovky (znázorněno u převodovky pětistupňové) a řadí se zasunutím vloženého kola (vzadu za hřídeli, není zobrazeno). Hnaný hřídel je prodloužen co nejvíce to jde za účelem zkrácení celkové délky spojovacího hřídele („kardanu“), čím delší je spojovací hřídel, tím je těžší a tím je více problémů s vyvážením. (Spojovací hřídel nic pozitivního pro provoz nepřináší a kde je to možné, tam se nepoužívá.)

 

 

Obr. 13  Pětistupňová tříhřídelová převodovka s rychloběhem

image005

 

Konstrukce vychází z převodovky čtyřstupňové, pátý stupeň je umístěn v nástavbě na konci převodovky. Synchronizace je na hnaném hřídeli.

 

 

Na obr. 14 je konstrukce dvouhřídelové převodovky. Zde má každý převodový stupeň svoje soukolí a jeho převodový poměr udává převod daného stupně. Zpětný chod je umístěn mezi I. a II. rychlostním stupněm a řadí se přesunutím vloženého kola stejně jako u tříhřídelových převodovek. Pátý stupeň je umístěn nejdále od motoru a je řazen synchronizační spojkou na hnacím hřídeli. Přenos na soukolí stálého převodu je čelním soukolím za ložiskem u I. rychlostního stupně. Podobně je řešena převodovka u Š 742, pouze stálý převod je kuželový a diferenciál je umístěn výše, převodovka je delší.

 

Obr. 14

image006

 

 

 

Řazení převodů:

 

Převody je nutné řadit, děje se to zapínáním jednotlivých dvojic ozubených kol do záběru buď ručně, nebo automaticky. V počátcích automobilizmu se řadilo přesouváním celým ozubených kol po drážkovaném hřídeli. Problémy vznikaly při nevyrovnání otáček hnaného a hnacího hřídele, kola nešla zasunout a nárazy zubů o sebe ozubení velmi trpělo. Z tohoto důvodu muselo být použito ozubení s rovnými zuby, které je hlučné. Proto se přešlo na soukolí šikmé, kdy jsou jednotlivá kola trvale ve stálém záběru, jedno z nich se ale na hřídeli protáčí a při řazení se ozubenou spojkou propojí pevně s hřídelem (proto na otázku „kolik se točí v převodovce kol při zařazené trojce“ odpověď zní „všechna kromě vloženého kola zpátečky“). Převod je dostatečně tichý a řazení je relativně snadné. Účinnost takové převodovky je nepatrně nižší, protože volně se otáčející kola v záběru způsobují určité ztráty. Řadící spojka ale vyžaduje také vyrovnání otáček obou hřídelů, proto se postupně spojky vybavovaly synchronizací. Starší převodovky nemívaly synchronizovaný I. rychlostní stupeň, dnešní převodovky jsou synchronizované plně. V principu jde o třecí kuželovou brzdu, která při řazení zpomalí nebo zrychlí příslušný hřídel tak, aby šel určený převod bezhlučně a rychle zařadit. Řadící mechanizmus umožňuje zařazení pouze jednoho převodového stupně, zařazením dvou stupňů se převodovka zablokuje, řadící táhla se musí mezi sebou vzájemně blokovat tak, aby bylo možné řadit jen a pouze jeden převodový stupeň. Synchronizační spojky jsou konstruovány jako zdvojené – společné vždy pro dva převodové stupně (I. + II., III. + IV. atd.), řadí se jedním nebo druhým směrem (dopředu – dozadu). Řadící páka proto vykonává pohyb podle písmena H, dopředu I. stupeň, dozadu II. stupeň, vyřazením do střední polohy je možné páku vyklonit do další řadící roviny a řadit stejným stylem III. a IV. převodový stupeň. V další řadící rovině je V. stupeň a zpětný chod, tedy ručně se dá pákou bez omylu řadit do šesti stupňů (pět + zpátečka), více písmeno H (i rozšířené) neumožní. Pokud máme převodovku šestistupňovou, je nutné řadit zpětný chod do jiné polohy, což se řeší pomocí pojistky, která se zatlačí – povytáhne a potom se zařadí jakoby I. stupeň, nebo se řadící páka zatlačí – povytáhne a provede se totéž. Pojistka je vlastně další řadící táhlo, které zajistí navedení řadící páky do správné řadící vidlice, zasunutí nebo povytažení řadící páky udělá totéž. U vícestupňových převodovek se používá přídavný element, kdy se pomocí elektrického spínač ovládá tzv. půlení převodů (desetistupňová převodovka má 2.-4.-6.-8.-10. stupeň řazen přímo jako u pětistupňové převodovky, mezi nimi se přepíná elektrickým přepínačem redukce, která vytvoří s prvními pěti stupni 1.-3.-5.-7.-9. stupeň), nebo se převodovka řeší jako „šestistupňová“ – pět blíže odstupňovaných stupňů dělá prvních 5 a přídavný redukční převod se stejnými pěti převody dělá 6. – 10. stupeň.  Lze to i obráceně, kdy se používá pět stupňů, které se redukcí zvětší na plíživé terénní převody. Tato varianta je lepší v případě požadavku na vyšší počet stupňů než 12, kdy je možné správně odstupňovanými redukčními a hlavními převody dosáhnout prakticky libovolného počtu převodů. Praktická hodnota ale končí na čísle 18 – 20, takové převodovky jsou vyžadovány u tahačů pro extrémně těžké náklady, kdy je možné zvyšovat rychlost jen pozvolna a je nutné vzhledem k hmotnosti nákladu volit užší výsek rychlostí na jednotlivé převodové stupně pro využití síly motoru. Přímé řazení pákou má výhodu v tom, že je možné zařadit přímo libovolný rychlostní stupeň. Pokud neřadíme přímo pákou (tzn. že řadíme elektricky nebo hydraulicky), je možné řešit řazení libovolného počtu stupňů páčkou, kterou pohybujeme dopředu (převody se řadí směrem nahoru) nebo dozadu (převody se řadí dolů), nevýhodou bývá nutnost odřadit všechny stupně postupně za sebou nahoru nebo dolů (i když poslední typy převodovek se sekvenčním řazením již umožňují zařazení libovolného převodového stupně přímo pomocí tlačítek). Tento typ řazení se používá u převodovek automatizovaných.

Každá vozidlová převodovka musí mít možnost nezařazení žádného stupně, neboli musí být vybavena tzv. neutrálem. Neutrálem se rozumí taková poloha řadící páky, kdy není zařazen žádný převod, což znamená úplné odpojení motoru od hnacích kol bez použití spojky. Neutrál je v každé řadící rovině mezi rychlostními stupni, ale páka tam sama nedrží. Základní poloha řadící páky v neutrálu je uprostřed střední řadící roviny, kam je páka po vyřazení tlačena speciálně tvarovanou pružinou. Je to důležité z hlediska orientace řidiče, který od této polohy volí pohyb řadící páky.

 

 

Zpětný chod:

 

Zpětný chod se řeší vloženým kolem, které má většinou rovné zuby a řadí se přesouváním bez spojky a synchronizace, stejně jako v počátcích automobilizmu (proto nejde často zařadit, pokud není auto v klidu). Ozubení zpětného chodu hnaného hřídele se pro jednoduchost vyrábí na obvodu synchronizační spojky I. a II. stupně. Některé převodovky mají zpátečku synchronizovanou a šikmé soukolí, týká se dražších modelů vozidel. Konstrukce synchronizovaného zpětného chodu je stejná jako u převodů vpřed, je tam pouze o jedno ozubené kolo více.

 

 

Odstupňování převodovek:

 

Odstupňování převodovek má velký vliv na celkový provozní charakter vozidla. Nevhodné odstupňování převodů má negativní vliv na provozní vlastnosti, motor neběží v optimálním režimu, je nutné ho výrazně vytáčet a v nejběžnějších provozních režimech není schopen podat dostatečný výkon. Při návrhu se nejdříve spočítá podle výkonu, hmotnosti vozidla, průměru pneumatik a dosažitelné stoupavosti stálý převod a převod I. rychlostního stupně. Převod ale nesmí být tak velký, aby způsoboval prokluz hnacích kol, pokud nejsou pneumatiky schopné tak velký moment přenést na vozovku, je nutná korekce převodu směrem k menšímu číslu. U těžkých nákladních vozidel jsou hodnoty převodu daleko vyšší než u osobních automobilů, zatížení kol a poměr výkonu motoru k celkové hmotnosti je zcela odlišný. Další stupně se přidávají podle charakteristiky točivého momentu, obecně platí, že mezi prvními stupni je větší krok a směrem k vyšším stupňům se odstupňování zmenšuje. Delší krok mezi I. a II. stupněm ale vede k přetěžování synchronizačních spojek, které se – hlavně na II. stupni – opotřebí nejdříve. V převážně městském provozu odchází i synchronizace na III. stupni. Podle určení se nejvyšší stupeň řeší jako normální, tedy takový, na který dosáhne vozidlo maximální rychlosti při maximálním výkonu motoru, nebo jako rychloběh. Rychloběhem rozumíme tak velký převod, na který vozidlo není schopno dosáhnout maximální rychlosti, ale odlehčí motor z otáček při dálničním provozu. Rychloběh umožní snížit provozní otáčky, pro stejný výkon musíme více otevřít škrtící klapku, čímž se zvýší provozní hodnota kompresního poměru (zvýšení účinnosti motoru) a snížením otáček poklesnou mechanické ztráty motoru. Výsledkem je nižší spotřeba a menší opotřebení motoru (počet otáček na ujetý kilometr se sníží). Nevýhodou tohoto řešení je nutnost dřívějšího řazení na nižší rychlostní stupeň i při malých stoupáních. Kromě toho musí být nejčastěji používané otáčky na tento převod v oblasti nejmenší měrné spotřeby paliva, jinak se naopak spotřeba zvýší (motor neběží v optimálním režimu), je nutné s tím počítat při konstrukci motoru.

 

 

Odstupňování převodovek se nejlépe zobrazí graficky tzv. pilovým diagramem (obr. 15), kde se na osy x-y vynese rychlost vozidla a otáčky motoru. Podle „rozježenosti“ pily se ihned pozná vhodnost odstupňování. V tomto diagramu je možné odečíst závislost otáček motoru a dosažitelné rychlosti vozidla na příslušné rychlostní stupně. Správně zvolené odstupňování musí zabezpečit požadavek na přechod z maximálních otáček do otáček max. točivého momentu při řazení nahoru. Pokud toto nelze splnit, je nutné přidat další převodový stupeň a odstupňování upravit. Tento požadavek je možné nesplnit v případě posledního převodového stupně, který je zvolen jako rychloběh. Na rychloběh totiž nelze dosáhnout maximálních otáček, převod bývá velmi těžký.

 

Obr. 15  Pilový diagram čtyřstupňové převodovky Škoda 742

image007

 

 

 

Konstrukce mechanických převodovek:

 

Základní definice tvarového převodu:

 

„Převod je správný tehdy, kdy hnací kolo při stálé úhlové rychlosti uděluje hnanému kolu rovněž stálou úhlovou rychlost.“

 

Tato poučka je velmi důležitá při řešení převodů ozubenými koly, které se počítají do převodů s tvarovým stykem. Ozubení musí mít takový tvar, aby se během otáčení úhlová rychlost poháněného kola neměnila. Změna úhlové rychlosti vnáší do záběru přídavná namáhání (na straně hnaného kola jsou další hmotnosti, které se mají snahu otáčet rovnoměrnou úhlovou rychlostí) s amplitudou výrazně větší, než by materiál mohl dlouhodobě vydržet a tak takové soukolí nebude mít dlouhého trvání. Tomuto požadavku vyhovují ozubení evolventní a cykloidní. Cykloidní ozubení se používá převážně v hodinářství, jinak velmi zřídka v přístrojové technice. Pro přenos velkých výkonů je vhodné ozubení evolventní, které je dobře technicky a technologicky zvládnuto.

Základním typem je ozubení evolventní s rovnými zuby. Vyznačuje se vysokou účinností (až 99%), ale je hlučné a při návrhu soukolí se musí spočítat korekce, podle kterých se posunou hřídele obou kol. Je to nutné z důvodu omezení nebezpečí tzv. podřezání zubů a zlepšení průběhu odvalování. Hlučnost soukolí vzniká pravděpodobně při náběhu zubu do záběru celou styčnou křivkou zubu (čarou záběru), přesný důvod ale dosud znám není. Přímé soukolí musí mít v záběru minimálně dva páry zubů a to tak, že když jeden pár vyjíždí ze záběru, druhý se do záběru dostává (přenos výkonu nesmí být přerušen, je tedy nutné určité překrytí záběru zubových párů). Tato podmínka se musí kontrolovat v případě použití malého počtu zubů jednoho z kol, při větším počtu se počet zabírajících párů zubů zvyšuje. Z tohoto důvodu a pro zabránění podřezání paty zubu nesmí mít žádné z kol menší počet zubů, než je počet kritický, podle typu převodu se pohybuje mezi 14 a 17. Menší počet zubů je možný pouze u převodů používaných krátkodobě bez nároků na přesnost, např. u pastorků spouštěčů. Šikmé evolventní ozubení (ve skutečnosti nejsou zuby pouze šikmé, ale tvoří šroubovici s velkým stoupáním) je na tom lépe po všech stránkách kromě účinnosti (asi 97%), je tišší, v záběru má více dvojic delších zubů a tím obecně vyšší únosnost. Čára záběru se přesouvá postupně z jednoho kraje zubu na druhý, tím se jednak tiší hluk a lépe se rozkládá zatížení. K podřezání paty zubu dochází při menším počtu zubů, není nutné provádět korekce. Účinnost převodu se zlepší kvalitním opracováním zubů a optimalizovaným mazáním. Nižší účinnost převodu se šikmými zuby je způsobena větším počtem zubů v záběru. Šikmé ozubení má tu vlastnost, že v záběru vytváří výslednici sil působící axiálním směrem a posunuje tak hřídel na jednu stranu. Tuto sílu je nutné zachytit, nejlépe vhodným typem ložiska. Je-li požadována nulová axiální síla, provádí se soukolí s dvojnásobně šikmými zuby, kolo se axiálně rozdělí na dvě stejné části (s technologickou drážkou uprostřed) a každá má obrácený směr stoupání zubů. Takto se axiální síly, vytvářené každou polovinou šikmého ozubení, navzájem zruší. Používá se např. u parních turbín. Lze také vyrobit soukolí s šípovými zuby, ale to je vhodné pro velká zatížení při malých obvodových rychlostech, u vozidlových převodovek se ani jedno z těchto provedení nepoužívá.

Dalším pravidlem při návrhu převodu je to, že převod ozubeným soukolím nesmí být celé číslo, zvláště je „zakázáno“ číslo 1. Při výrobě kol může dojít k určitým nepřesnostem při vytváření evolventy, při montáži se chyba obou kol podle Murphyho zákona nastaví tak, že se oba chybné zuby setkávají a tak se problém ještě znásobí. Nepřesnost naruší optimální odvalování, a protože se při převodu tvořeném celým číslem budou tyto zuby neustále setkávat, brzy se poškodí a vyřadí soukolí z provozu. Pokud bude převod jiný, chyba tam sice zůstane, ale např. při počtu 20/21 zubů se tyto zuby potkají za 21 otočení hřídele a tak se problém projeví po 21x delší době, opotřebení ostatních zubů bude sice také, ale menší také diky rozložení na všechny. Pokud tedy potřebuji vytvořit převod 1:2 (pohon rozvodu), udělám to řetězem nebo ozubeným řemenem, případně více koly s rozdílnými převody. Převod 1 ale nelze obejít při pohonu rozvodu DOHC, kdy jsou vačky mezi sebou propojeny ozubenými koly s převodem 1 a od klikového hřídele se např. řetězem pohání pouze vačkový hřídel jeden. Takové soukolí nepřenáší velký výkon a tak se případná výrobní chyba výrazněji neprojeví.

Obecně platí, že I. rychlostní stupeň, který vytváří největší sílu na výstupním hřídeli, se umístí co nejblíže ke stěně převodovky, kde se musí zachytit v ložisku výsledné síly způsobující ohyb hřídelů. Jakýkoli průhyb hřídelů negativně ovlivňuje činnost ozubení, kterému klesá životnost. Další stupně se umísťují postupně dále. Podle velikosti přenášeného výkonu se hřídele ukládají za každým druhým, nebo každým čtvrtým soukolím. Důležité je, aby se hřídele za provozu neprohýbaly. Umístění synchronizace se obecně volí na hnaném hřídeli, někdy se kombinuje s hřídelem hnacím. Synchronizace na hnacím hřídeli sníží sice odpory za studena po nastartování, ale zhoršuje možnost zařazení z klidu, protože se kola netočí a pokud zůstanou stát zuby synchronizační spojky a kola proti sobě, je obtížnější zařadit. Z tohoto důvodu se synchronizace I. a II. převodového stupně umísťuje na hřídeli hnaném, ostatní je možné montovat na libovolný hřídel. Synchronizace na hnacím hřídeli totiž přenáší pouze točivý moment motoru, který ještě není vynásoben převodem a tak může být provedena na menší zatížení, případně se její životnost při stejné velikosti spojky zvýší (třecí kroužek brzdí ještě neznásobený moment hmotností rotujících dílů na straně hnacího hřídele). Vše je závislé na celkové konstrukci převodovky ohledně jejich zástavbových rozměrů a co nejsnadnější manipulaci při montáži převodovky.

Volba modulu ozubení (m) – modul ozubení je číslo, které značí polovinu výšky zubu (celková výška zubu je ale ještě o velikost hlavové vůle zubu (m x 0,25) větší). Od velikost modulu jsou odvislé další rozměry zubu, většinou se jedná o násobky hodnoty modulu. U jednostupňových převodů je volba celkem jednoduchá, protože si mohu modul zvolit podle tabulek a také podle tabulek si najít rozměry kol a vzdálenost os kol od sebe, vše je dobře zpracováno. Velikost zubů je základním kritériem únosnosti, doladí se šířkou kola. Větší modul má údajně pozitivní vliv na hlučnost, menší modul zase dostane do záběru větší počet zubových dvojic a tak zvýší únosnost, obojí je ale nutné výpočtem zkontrolovat. U několikastupňových převodovek je volba modulu velmi náročná, je nutné mnohokrát přepočítat rozměry kol a převodové poměry, aby bylo možné vůbec převodovku smontovat, vzdálenost os obou hřídelů je totiž stejná pro všechna soukolí. Největší frajeřina je zvolit takové uspořádání převodovky, kde se použije jen jeden modul na všechna kola. Jedna velikost modulu zlevní výrobu kol. (To se celkem podařilo u převodovky do Favorita. Později byla u převodovky na Felicii od roku 1998 provedena změna, kdy se celá převodovka přepočítala tak, aby odstupňování vyhovělo pro všechny osazované motory, pro jednotlivé typy se pouze měnila hodnota stálého převodu. Byl použit větší modul pro snížení hlučnosti a změněno odstupňování jednotlivých stupňů.) Jakmile máme zvolen modul a převodové poměry, je nutné provést kontrolu na únosnost ozubených kol, existuje na to norma ČSN 01 4686. Únosnosti se rozumí nejen pevnost zubu, ale také odolnost proti zadírání a pittingu. Pitting vzniká následkem překročení Hertzových tlaků, materiál se začne vlivem extrémního přetěžování a odlehčování vylupovat ze styčné plochy, kde tak vznikají jamky vedoucí k rychlé destrukci zubu. Pitting se vyskytuje i u jiných strojních zařízení, velmi často jsou takto poškozena valivá ložiska. Pittingu výrazně napomáhají nečistoty v oleji, a to i v případě že je soukolí spočítáno správně. Strojní díl se zušlechtěným povrchem opotřebený pittingem je prakticky neopravitelný.

 

Volba přesnosti opracování – zde je nutné udělat ekonomický rozbor, kdy je nutné dbát na ekonomiku a kdy na účinnost. Výroba ozubení se rozděluje do 12 tříd, první (absolutně přesné ozubení) se nevyužívá, druhá a třetí třída se používá pro výrobu kontrolních kol (kalibrů), někdy se využívá pro kalibry i třída čtvrtá. Pátá až devátá třída se používá pro soukolí vozidlových převodovek, poslední tři třídy se používají u nejméně náročných ozubení u kancelářských strojů, převodů zdvihadel a dopravníků, tiskařských strojů, lodních převodovek a dalších. Základní opracování při výrobě zubu odpovídá účinnost okolo 90 – 96%, záleží na kvalitě mazání, broušená a leštěná ozubená soukolí vykazují účinnost až 99%. Čím kvalitněji opracované kolo, tím větší obvodové rychlosti je schopno (třída 4 a 5 je určena pro obvodové rychlosti až 60 m/s), ale také je výrazně dražší. Opotřebené kolo vykazuje účinnost sníženou, běžně okolo 85%.

Volba materiálů pro ozubená kola – dá se použít kdeco od lisovaného papíru přes tvrzené dřevo, silon, plasty obecně (nejvíce se používají polyamid a teflon), mosaz, litinu až po ocel. Z lisovaného papíru asi převodovku do auta nepostavíme, litina také nevyhoví, proto se používá ocel tř. 12 a vyšší. Oceli tř. 11 nejsou pro převodovky příliš vhodné, když se tedy už musí, párují se s pastorkem z ocelí tř. 12, která se zušlechťuje na tvrdost vyšší o 15 – 25 HB, nutné proti zadírání boků zubů. Jinak se používá ocel tř. 11 600 ve spojení s litinovým kolem, a to jen pro méně namáhané převody, u automobilů se nevyskytuje. Vhodným materiálem jsou oceli 12 050, 12 060, 13 141, 13 240, 14 240, 15 260 a 16 250. Nejvíce se doporučuje materiál 13 240, který dává až zrcadlově lesklé boky zubů. Pokud se jedná o převody namáhané otěrem, používají se cementační oceli tř. 12, 14, 16. Nitridační oceli se používají na ozubení, která nejde brousit, problémem je velmi tenká nitridační vrstva a z toho vyplývající pouze poloviční dovolená zatížení. Každopádně správná volba materiálu kol a hřídelů je velmi důležitá pro únosnost a životnost převodovky.

Volba koeficientu únosnosti – jak jsem se zmínil v Teorii motorů, materiál lze zatěžovat podle toho, jakým způsobem je namáhán. U převodovek převažuje jeden směr namáhání a tak jsou koeficienty nižší, než např. u ojnice motoru. Pro pevnostní hodnoty se používají koeficienty větší než 1,7; pro tlaky (zamezení pittingu) větší než 1,4. Převodovka tedy krátkodobě vydrží 1,7 násobek jmenovité zátěže. Převodovky do těžkých provozů, kde vznikají často velké rázy z přetížení (jízda v terénu), mají koeficienty ještě vyšší. Z toho vyplývá jedno – pokud chci dostat do stejné skříně převodovku s vyšší únosností, musím použít kvalitnější materiály, nebo provést zvětšení rozměrů hřídelů a kol. Větší hřídele nejsou problémem, únosnost kol se řeší jejich větší šířkou. Otázkou je, jestli zůstane dost místa pro synchronizační spojky. Z tohoto důvodu se pro závodní vozy používá řazení bez synchronizace, synchronní kroužky zabírají dost místa a jejich absencí je možné kromě zvýšení únosnosti přidat do stejné skříně i další soukolí a tak mít převodovku místo pěti, tak šestistupňovou. Řazení se děje celkem surově přes zuby, ale protože je převodovka pod neustálou kontrolou a díly se před každým závodem většinou mění, není zde problém. Pokud mám takovou převodovku v normálním autě, jsem nucen řadit s meziplynem a poslouchat příšerný kravál, protože tyto převodovky mají kvůli účinnosti rovné ozubení a kdo někdy slyšel soutěžního Favorita v plném tempu, nevěřil vlastním uším – kvičení, ječení, pištění jako by se mělo auto rozsypat.

Ložiska – pro uložení hřídelů se používají výhradně ložiska valivá, podle druhu převodu kuličková a případně kuličková s kosoúhlým stykem, válečková málo a nejvíce kuželíková. Kuličková ložiska jsou schopná přenosu i jakési malé axiální síly, s kosoúhlým stykem i dost výrazné. Válečková ložiska je možné zatěžovat pouze radiálně a tak nejsou vhodné tam, kde je nutné vymezovat vůli nebo kde vznikají axiální síly přímo z působení výsledných sil šikmého ozubení. Kuželíková ložiska umí zachytit jak radiální, tak axiální sílu a jejich vhodným předpětím nebo vůlí se vymezí axiální pohyb hřídelů. Kuželíková ložiska jsou nutná v případě, kdy má hnaný hřídel na svém konci pastorek stálého převodu s kuželovým soukolím jehož poloha se musí přesně seřídit vůči hnanému kolu stálého převodu. Kola, která jsou na hřídeli uložena volně (příslušející k synchronizaci) mají ložiska kluzná, protože při prokluzu nepřenášejí žádný výkon a tak toto uložení většinou stačí, vývrt pro hřídel se někdy jen vybrousí bez výstelky ložiskovým kovem. Požadavkem je pouze dostatečný přívod oleje, pro který se vytváří v pouzdře kola mazací drážky.

Skříň převodovky – dnes se používají převážně hliníkové slitiny, na postupu jsou i slitiny hořčíkové, pro závodní speciály (F 1) se používá také titan, který se vyznačuje vysokou pevností a nízkou měrnou hmotností, ale je výrobně velmi drahý a v sériové produkci se s ním nesetkáme. Litina se používá zcela výjimečně, a to převážně pro převodovky nákladních aut, nebo převodovky stacionární. Skříň musí být co nejtužší, aby nedocházelo k vzájemnému křížení hřídelů v převodovce, které by mělo za následek výrazné opotřebení ozubených kol, proto bývá výrazně žebrovaná. Skříň se často řeší jako společná s krytem spojky a zároveň je opatřena přírubou pro spouštěč. Konstrukce skříně je odlišná pro převodovky dvouhřídelové a tříhřídelové. Dvouhřídelové převodovky mívají skříň složenou ze tří dílů, dělící rovina leží v ose hřídelů, oba hřídele se vloží do jedné poloviny skříně a druhou se skříň uzavře, odvrácená strana od spojky se uzavře další dílem, který obsahuje převod pro náhon rychloměru a někdy řadící mechanizmus. Pokud se přidává další rychlostní stupeň, vkládá se mezi sevřené poloviny skříně a zadní kryt mezikus. Tříhřídelové převodovky mají často skříň uzavřeného typu, do které se zkompletované hřídele zasunou z boku a skříň se uzavře přírubou (krytem) spojky a v zadní části nástavcem pro hnaný hřídel, kde je také převod pro náhon rychloměru. Na skříních jsou ještě držáky pro ovládací mechanizmus spojky. Plnění olejem se provádí pro to určeným otvorem, případně u převodovek s celoživotnostní náplní přes otvor po vymontovaném náhonu rychloměru, vypouštění se děje přes otvor v nejnižším místě převodovky, který uzavřen zátkou (s magnetem pro zachycování kovového otěru) se závitem. Těsnění těchto zátek je buď hliníkovým (bronzovým) kroužkem, případně bez těsnění kuželovým sražením. Novější konstrukce převodovek výpustný otvor nemají, nepředpokládá se výměna oleje před uplynutím životnosti vozidla. Při poruše převodovky se olej odsává nebo vypouští při demontáži z vozidla přes otvor po kloubovém hřídeli, nebo až při demontáži skříně na dílně.

 

 

Synchronizace:

 

Pro zařazení jednotlivých stupňů je nutné vyrovnat otáčky hřídele a kola dané rychlosti, jinak není možné hladce a bezhlučně zařadit. Normálně by při řazení nahoru bylo nutné čekat, až se vlivem odporů v převodovce sníží otáčky příslušného hřídele natolik, aby obvodové rychlosti ozubených kol řazeného převodu byly stejné (nebo se lišily pouze nepatrně). Aby se nemuselo tak dlouho čekat, pomáhá se tomu zapnutím spojky, kdy se díky rychleji se snižujícím otáčkám motoru zpomalí i hmotnosti v převodovce. Při řazení dolů je nutné tyto hmotnosti roztočit na otáčky vyšší, což se děje pomocí tzv. řazení s dvojím vyšlápnutím spojky a použití meziplynu. Správný odhad velikosti „meziplynu“ dělá lidem s malým technickým citem problémy a tak byla vyvinuta synchronizace.

Brzdění a zrychlování kol zde napomáhá třecí spojka, která se dostává do činnosti při řazení. Tato spojka se pro zvýšení samosvorného účinku vyrábí jako kuželová. Kužel má tu vlastnost, že při větším tlaku při zasouvání vnějšího na vnitřní kužel se zvyšuje tření mezi kuželovými plochami více, než je tomu při srovnatelné síle u rovinných ploch (samosvorný účinek). Polovina třecí spojky (třecí kroužek) spolu s ozubenou spojkou a kuličkovou pojistkou tvoří synchronizační spojku. Třecí plocha kroužku je drážkovaná pro lepší odvod oleje ze styčné plchy, jinak olejový film brání správné činnosti synchronizace. Synchronizační spojka se skládá z jádra s třecím kroužkem ze speciální mosazi, přesouvací objímky (věnce s vnitřním ozubením) a kuličkové pojistky. Kuličkové pojistky jsou použity většinou tři rovnoměrně rozmístěné po obvodu spojky.

Každé řazené ozubené kolo má na svém boku ozubení s druhou polovinou třecí spojky (ocelová broušená kuželová plocha), do kterého zapadne ozubení synchronizační spojky. Synchronizační spojka je na hřídeli posuvná axiálně, hřídel je drážkovaný a tak se na něm nemůže otáčet. Posun synchronizační spojky je řešen vidlicí, která zapadá do vybrání na obvodu spojky. Kola jednotlivých rychlostí na stejném hřídeli jsou volně otočná, ale axiální pohyb není možný (má jen nezbytnou vůlí pro možnost volného otáčení).

 

Řazení rychlostního stupně vypadá následovně (obr. 16):

I. poloha – synchronizační spojka je mezi oběma rychlostními stupni a není tedy v záběru s žádným kolem, není zařazen žádný rychlostní stupeň.

II. poloha – pohybem řadící páky se dostává do záběru třecí spojka, která vyrovná otáčky ozubeného kola a hřídele (platí pro zpomalení i zrychlení kola vůči hřídeli)

III. poloha – pokračující tlak přemůže kuličkovou pojistku a dojde k přesunutí ozubení synchronizační spojky na ozubení kola, řazení je dokončeno. Řadící vidlice se aretuje kuličkovou pojistkou buď na ovládací tyči, nebo se vytvoří další zářez na převlečném kroužku a využívá se kuličkové pojistky na synchronizační spojce, případně se kombinuje obojí. Tím je synchronizační spojka držena v určené poloze a rychlostní stupeň nevypadne ze záběru.

 

Obr. 16  Klasická konstrukce synchronizační spojky

image008

 

 

Problém tohoto uspořádání je v rychlosti řazení. Pokud chceme zařadit rychle, zvýšíme tlak na řadící páku, což vede k dřívějšímu překonání odporu kuličkové pojistky a k zařazení dojde dříve, než se otáčky vyrovnají. Řazení je hlučné a namáhá ozubení synchronizační spojky a kola. Z tohoto důvodu se přešlo na synchronizaci zajištěnou (obr. 17), kde dojde k přesunu ozubeného kroužku až po vyrovnání otáček ozubeného kola a hřídele. Třecí kroužek 7 je vyroben jako samostatný díl, je tedy volně na hřídeli otočný. Jeho otáčení se zabrání vyčnívajícím zubem 4 v ozubeném prstenci 6, o který je opřena listová pružinka 3, která nahrazuje kuličkový ventil. Vyčnívající zub má úkos a třecí kroužek je natočen proti ozubení v tělese spojky 5 a tak brání přesunutí ozubeného věnce na ozubení kola 8. Při tlaku na řadící páku třecí kroužek začíná brzdit ozubené kolo řazené rychlosti, síla takto vzniklá tlačí stále pružina na stranu a tak nedovolí jeho natočení, k tomu dojde až po zablokování kroužku na kuželové ploše ozubeného kola (otáčky obou částí se vyrovnají), kdy již síla listové pružiny srovná všechny zuby do jedné roviny, v tom okamžiku dojde k přesunutí spojky na kolo a je zařazeno. Činnost zajištěné synchronizace není závislá na velikosti tlaku na řadící páku, větší tlak umožní rychlejší a stejně bezhlučné zařazení. (Uvedený systém s listovou pružinkou není jediným technickým řešením zajištěné synchronizace, ale nesehnal jsem lepší obrázky.)

 

Obr. 17 Zajištěná synchronizace

image009

 

 

Pokud chceme snížit ovládací sílu při řazení při zachování rychlosti řazení, je nutné zvětšit plochu třecí spojky. Prostým zvětšením plochy kužele dosáhneme také zvětšení axiálních rozměrů synchronizačního ústrojí, což je nežádoucí. Z tohoto důvodu se používá zdvojená synchronizace se dvěma třecími kroužky různých průměrů, které jsou umístěny nad sebou, mezi nimiž je další třecí kroužek. Axiální rozměr synchronizační spojky se nemění. Zdvojnásobení plochy má za následek poloviční ovládací síly se zdvojnásobením účinku synchronizace. Tato synchronizace je výrobně dražší a tak se používá jen u nejnamáhanějších převodových stupňů, což je většinou I. a II. stupeň.

 

Obr. 18  Synchronizační spojka se dvěma třecími kroužky (Fabia u německých motorů)

image010

 

 

Snad nejlepší technické řešení u synchronizace bez komplikací s dvojitými třecími kroužky vyvinuli u Porsche. Jeho přednostmi jsou malé rozměry, tedy nízká hmotnost a možnost velmi rychlého řazení. Celá spojka vypadá výrazně odlišně od spojek běžně používaných. Skládá se z jádra se třemi nosy, na které je nasazena přesouvací objímka zubové spojky. Zuby mají upravený tvar, jejich bok má kuželové sražení. Prstenec třecí kuželové spojky je rozříznutý a je nasazen na ozubené kolo rychlostního stupně, které má zub, který brání otáčení prstence. Pružný kroužek brání jeho vypadnutí. Při řazení se využívá servoúčinek, stejný jako má náběžná čelist bubnových brzd. Při otáčení ozubeného kola a přesouvání objímky se prstenec opře o zub na kole a vnější kuželovou plochou se začíná brzdit o objímku, servoúčinek silně tento jev podporuje a jakmile se celý prstenec sevře, téměř zablokuje kolo a prstenec proti otáčení, objímku lze pouze axiálně zasunout do záběru s ozubeným kolem. Nepatrné vybrání uprostřed šířky zubů přesuvné objímky zajišťuje díky pružnosti prstence aretaci zařazeného rychlostního stupně. Servoúčinek rozříznutého kroužku je velmi účinný a k rychlému řazení stačí jen malá síla, řadit je možné neskutečně rychle.

 

Obr. 19  Synchronizace Porsche

image011

 

 

Z uvedených popisů vyplývá – řadit je možné pouze v takovém případě, kdy je jedno z kol řazeného rychlostního stupně volně otočné a aspoň trochu se vůči druhému hřídeli otáčí. Malý rozdíl v otáčkách je důležitý proto, aby nezůstávaly zuby synchronizační spojky a kola stát proti sobě, přestože mají oboustranné náběhy, často to znemožní zařazení převodu. Hnaný hřídel je spojen s poháněnými koly a tak zde není stupeň volnosti možný. Volný může být pouze hnací hřídel, tedy musí být odpojen spojkou od motoru. Řadit při motoru v běhu lze pouze s vypnutou spojkou. Řazení „pod plynem“ je nutné řešit jiným způsobem, synchronizační spojky a celý řadící systém takové řazení neumožňuje. Dále snaha o rychlé zařazení – zvlášť na první dva převodové stupně – nadměrně namáhá synchronizační kroužky, jejich životnost rychleji klesá. Také velký rozdíl mezi otáčkami hnacího a hnaného hřídele při řazení nadměrně namáhá synchronizační ústrojí, proto je vhodné při řazení patřičného převodového stupně z neutrálu při jízdě z kopce použít meziplyn. Jestli jste si dobře prohlédli příslušné obrázky, je vám teď jasné, že jsou zde důležité jednotlivé rozměry všech dílů synchronizačního ústrojí, protože vzájemné vzdálenosti dílu umožní správnou funkci sestavy. Jakmile se tedy nějakým způsobem rozměry změní, přestane synchronizace uspokojivě pracovat. Platí to v první řadě pro třecí kroužek, i malé opotřebení třecí plochy změní vzdálenost převlečného kroužku synchronizace k ozubenému kolu převodu, při které dochází k maximálnímu tření mezi kuželovými plochami. Hřídel tedy není ještě dostatečně zabrzděn a již dochází k narážení zubů spojky o sebe, což znemožní bezhlučné zařazení,a pokud nedojde k brzké opravě, dojde také ke zničení ozubení spojky.

 

 

Mazání převodovky:

 

Převodovky se mažou mazacími tuky nebo převodovými oleji. Mazání tuky se používá u zcela uzavřených převodovek pro malé výkony, nebo průmyslové převodovky s malými obvodovými rychlostmi, a to i při velkých přenášených výkonech. Průmyslové převodovky bývají vyráběné ve třídě přesnosti 9 – 12, u hrubě opracovaných zubů je na mazání tuk často vhodnější než olej. Tuky se také mažou převodovky kuchyňských strojků nebo kancelářských strojů s ozubenými koly z plastů. Mazací tuky mají vyšší životnost z hlediska času a při otočení stroje vzhůru nohama nevytékají. Převodovky vozidlové mají mazání olejem, mazání je zajištěno broděním a ostřikem, který vzniká při otáčení ozubených kol. Když se převodovka roztočí, je uvnitř prakticky neustále „olejový tanec“, olej stříká na všechny strany. I přes tuto skutečnost se stává, že se na některá místa oleje v požadovaném množství nedostává a je nutné provést mazání nucené. Využívá se někdy olejového čerpadla (velké převodovky), nebo se skříň v určitých místech vytvaruje tak, aby některé soukolí pracovalo jako olejové čerpadlo, kdy ode dna přepravuje olej nahoru do nějakého kanálku, odkud olej stéká na patřičné místo. Velké převodovky mají na výstupu z čerpadla velmi často olejový filtr a také chladič, přenos výkonu v řádech stovek kW dokáže olej pěkně ohřát. Velká převodovka má horší poměr objemu oleje (desítky litrů) vůči povrchu skříně a také fakt že taková převodovka většinou stojí na místě, způsobí výraznější nárůst teploty oleje, který na takové teploty není konstruován.

Mazání broděním a ostřikem má jeden nedostatek, zvyšuje ztráty v převodech. U velkých stacionárních převodovek se proto využívá mazání olejovou mlhou, což je mazání pomocí stlačeného vzduchu, v kterém je určité procento oleje. Jde o nejdokonalejší způsob mazání, který se vyznačuje nízkými hydraulickými ztrátami a dobrým chlazením převodů a ložisek. Ložiska ani ozubení nejsou přemazávána, olejová mlha svědčí hlavně valivým ložiskům. Olej je neustále filtrován a tak opotřebení částí zařízení je menší. Zařízení na mazání olejovou mlhou je ale technicky náročné a vyplatí se skutečně jen u velkých strojů, kde hydraulické ztráty převažují nad technickou náročností systému pro tvorbu olejové mlhy a vyšší cenou převodů vyrobených ve vyšší kvalitě opracování boku zubů. Zařízení mazaná olejovou mlhou (nemusí jít jen o převodovky) vykazují vyšší životnost, než zařízení mazaná jiným způsobem.

K mazání obecně – olej má být čistý a musí ho být předepsané množství a hlavně typ a výkonnostní klasifikace podle API. Pro převody s hypoidním soukolím, které se používají u stálého převodu zadní nápravy, se musí použít olej pro hypoidní převodovky, označovaný písmenem H. Tento olej ale nesmí být použit do převodovek se synchronizací, použité EP přísady způsobují korozi synchronizačních kroužků z barevných kovů a následné poškození synchronizačních spojek. Synchronizační kroužky velké množství EP přísad, používané v olejích typu H, špatně snášejí (negativní působení EP přísad je popsáno v článku Přísady do paliv a maziv). Nečistoty v oleji jakéhokoli charakteru působí jako brusná pasta. Kovový otěr se proto zachytává na magnetech, které jsou součástí výpustných šroubů pro snadné odstranění kovových pilin. Výrazný nárůst množství kovového otěru signalizuje poškození některého soukolí, většinou nás na to upozorní zvýšení hlučnosti (ovšem to už je pozdě).

Olej by se měl pravidelně podle předpisu výrobce měnit. Množství oleje je také důležité. Výrobce udává hladinu oleje, která musí být dodržena. Pokud je oleje málo, může dojít k vynechávání mazání, případně se olej nedostane na všechna místa v požadovaném množství. Rychlejším oběhem menšího množství oleje se tento rychleji opotřebovává a je tedy nutná dřívější výměna. Menší množství oleje v převodovce hůře odvádí teplo, tím se jeho teplota zvýší, což dále zkracuje jeho životnost. Nedostatek oleje vede nejdříve k poškození třecích kroužků synchronizace, později se přidávají ložiska a nakonec ozubení. Nadměrné množství oleje naopak způsobí větší hydraulické odpory (nárůst spotřeby paliva) a namáhá některá gufera, která normálně nejsou v oleji ponořena. Typ oleje je také nutné dodržovat, jeho viskozita zajišťuje optimální funkci převodovky. Řídké oleje nemusí při zahřátí a za tropických teplot vykazovat dostatečnou únosnost, husté oleje zvyšují ztráty a v zimě do prohřátí oleje zhoršují řazení. Pro vozidlové převodovky se nejčastěji používá olej SAE 80 nebo SAE 90, případně olej SAE 80W-90, který je doporučován a nebo dokonce snad předepsán pro převodovky Favorit. (Olej SAE 90 je rozumně použitelný pouze do -5°C, potom příliš zhoustne.) Tento olej je vícestupňový, podobně jako oleje motorové. V zimě se chová jako SAE 80 a v létě snese vyšší teploty. Oleje SAE 140 a SAE 250 jsou určené pouze pro speciální případy a velká měrná zatížení, u nás se snad žádná automobilová převodovka v osobních autech pro tento typ oleje nevyskytuje. Existují i oleje SAE 85W-140. SAE 75W jsou oleje syntetické, určené pro celoživotnostní náplně převodovek. Podmínkou je konstrukce převodovky pro tento olej a hlavně se musí použít v prvovýrobě, přechod z normálního oleje SAE 80 nebo 90 na tento olej z důvodu celoživotnostní náplně není vhodný. Do převodovek Škoda 1000 MB – 130 není tento olej vhodný zcela určitě. Označení převodových olejů písmenem W znamená, že je garantovaná viskozita při nízkých teplotách. Viskozita při teplotách vysokých je zde na spodní hranici stanovené normou, proto je lépe používat oleje vícestupňové, označované např. SAE 80W-90, tento olej je použitelný při venkovních teplotách od -27°C do teploty + 40 °C. Oleje zvlášť určené pro vozidlové převodovky se v poslední době začaly označovat slovem Trans.

Mazání převodovek motorovým olejem – používá se pouze u motocyklů, kde současně s motorem a převodovkou maže mokrou spojku (resp. odvádí teplo) a kdysi také u vozu Morris Mini s motorem vpředu napříč, který měl společný blok pro motor i převodovku a poháněl přední kola. Motor měl malý výkon a tak převodovka neměla velké nároky, ovšem aditivace motorového oleje je odlišná od oleje převodového a není pro převodovku dobrá, olej se musel častěji měnit, platí to i pro olej v motocyklech. Obecně mají takto mazané převodovky nižší životnost. Každopádně do samostatných vozidlových převodovek motorový olej nepatří, pokud to výrobce přímo nepředepisuje.

Žádným olejem se nedosáhne zvýšení pevnosti součástí převodovky, proto je zbytečné dělat pokusy s viskózními oleji za účelem montáže výkonnějšího motoru, který má točivý moment vyšší než převodovka dlouhodobě snese. Hustý olej jen zvýší ztráty v převodovce, která stejně nadměrný výkon dlouho nevydrží, nejčastěji něco praskne na I. a II. převodovém stupni. Pokud se někdo snaží snížit viskóznějším olejem nadměrnou hlučnost převodovky, měl by se nejdříve zamyslet nad skutečným stavem převodů a spíše provést výměnu opotřebených dílů, než se snažit zlepšit něco, co zlepšit nelze.

 

 

Problémy:

 

Problémy s převodovkou nastávají ve třech případech: prvním je nedostatečné množství oleje nebo jeho pozdní výměna, druhý je nesprávné ovládání a třetí je opotřebený řadící mechanizmus mezi řadící pákou a převodovkou. O oleji jsem se rozepsal výše. Jen bych dodal, že se olej vypouští stejně jako u motoru ihned po jízdě, kdy je dobře tekutý a vyplaví co nejvíce nečistot. Nedoporučuje se odsávání oleje pomocí speciálního zařízení (jeden čas dost propagované i u motorů, že se nemusí nic šroubovat atd.), protože ani sebelepší odsávačka nedokáže ze spodní části skříně odstranit velké množství nečistot, které by se jinak vyplavily při vypouštění výpustným otvorem.

Ovládání převodovky se sice na první pohled zdá jako obtížně vylepšitelné, ale není tomu tak. Řadit převody se má s plně vyšlápnutou spojkou a tzv. nadvakrát, tedy na první dobu vyřadit a na druhou zařadit. Pohyb při řazení by měl být plynulý, rychlé pohyby namáhají třecí kroužky synchronizace, které se tak rychleji opotřebí. Pokud při jízdě z kopce vyřazujete, řazení z neutrálu na některý stupeň doplňte meziplynem, tedy krátkým přidáním plynu roztočte motor zhruba do otáček odpovídajícím rychlosti vozu a zařazovanému stupni a teprve poté zařaďte, takto odlehčíte třecím kroužkům a zvýšíte jejich životnost. Totéž platí při dojíždění ke křižovatce nebo zatáčce na neutrál a řazení nízkých převodových stupňů. Při řazení I. rychlostního stupně u Š 742 a 781 se zároveň řadí naprázdno mezikolečko zpátečky, ozubení kolečka i ozubení na synchronizačním kroužku má sice náběhy, ale pokud budete řadit razantně a navíc s nedostatečným množstvím oleje v převodovce, tyto náběhy se „rozklepou“ a znemožní u stojícího vozidla zařazení rychlosti. Mezikolečko se totiž netočí, to platí i pro synchronizační spojku a tak není často možné I. stupeň zařadit, nepomůže ani zapnutí a vypnutí spojky kvůli roztočení hnacího hřídele. Jediná pomoc je zařadit II. rychlostní stupeň a zkusit z něj zařadit stupeň I., nebo na II. stupeň cuknout vozem (kola se vůči sobě pootočí) a ihned I. stupeň zařadit. Oprava je možná pouze výměnou těchto dílů. Nemožnost zařazení v tomto případě není vinou opotřebení třecího kroužku synchronizace, jeho výměna nepomůže.

Řazení u převodovek bez synchronizace – dnes se to v autoškole učí pouze při výcviku na nákladní vozy. Tento typ řazení se dá použít u převodovky s poškozenými synchronizačními spojkami. Proti řazení se synchronizací je nutné udělat 8 úkonů pro řazení nahoru a 9 úkonů pro řazení dolů.

Řazení nahoru:

  • 1 vypnout spojku (sešlápnout pedál) a 2 uvolnit plyn
  • 3 vyřadit
  • 4 zapnout spojku (uvolnit pedál)
  • 5 vypnout spojku
  • 6 zařadit vyšší stupeň
  • 7 zapnout spojku a 8 přidat plyn

Řazení dolů:

  • 1 vypnout spojku (sešlápnout pedál) a 2 uvolnit plyn
  • 3 vyřadit
  • 4 zapnout spojku (uvolnit pedál)
  • 5 přiměřeně dlouhým přidáním plynu roztočit motor tak, aby se zhruba otáčky hnacího hřídele rovnaly otáčkám hřídele hnaného x převod (nutno nacvičit, napoprvé se to asi nepodaří, čím nižší stupeň vůči rychlosti vozidla, tím větší otáčky motoru)
  • 6 vypnout spojku
  • 7 zařadit nižší stupeň
  • 8 zapnout spojku a 9 přidat plyn

Všechny úkony musí být provedeny ihned za sebou, při prodlevě se otáčky hnacího hřídele proti optimu změní a řazení je hlučné (přes zuby). Velikost meziplynu je důležitá pro bezhlučné řazení, je lepší motor roztočit více, protože otáčky hnacího hřídele po vypnutí spojky samy o sobě klesají a tak se rovnováhy dosáhne lépe, než když jsou otáčky motoru nízké. Až nabudete dostatek zkušeností, je možné řazení dolů zrychlit tak, že při vypínání spojky uvolníte pedál plynu s malým zpožděním, motor se odlehčením roztočí (není třeba přidávat opětovně plyn, ale je nutné rychle vyřadit a zapnout spojku, aby se otáčky motoru přenesly na hnací hřídel) a tak se ušetří nějaká ta desetina sekundy a nějaký ten ml paliva. Každopádně řazení bez synchronizace je pro převodovku vždy namáhavější než se synchronizací, otáčky obou hřídelů se většinou nepodaří vyrovnat úplně přesně a řazení se odbývá s menšími či většími rázy.

Řadicí mechanizmus vně převodovky – zde jsou na tom nejlépe vozy s motorem podélně vpředu a pohonem zadních kol, převodovka navazující na motor má řadící páku přímo na sobě bez vnějších převodních táhel, nebo jsou táhla velmi krátká. Vozidla s předním náhonem mají převodovku umístěnou napříč, zde je problém se změnou úhlu řazení, ale řadící konzola je v karosérii zavěšena s velkou vůlí a vůči převodovce je definována pomocí držáku, vzdálenost řadící konzoly od převodovky je konstantní bez ohledu na výkyvy převodovky v silentblocích a k problému s řazením nedochází. Přenos hluku zde ale nějaký zůstává. Dnešní vozidla používají nejčastěji přenosu pomocí lan a lanovodů, převodovka se může vrtět jak chce aniž je řazení ovlivněno, navíc se tím zabraňuje přenosu hluku do karosérie. Vadná řadící táhla – samotná táhla se jen tak nepoškodí, ale jejich klouby jsou opotřebitelnými díly stejně jako klouby jiné. Pokud se začnou vyskytovat v těchto kloubech vůle, řadící páka nemusí být schopna dostatečného rozsahu pohybu na jejich vymezení a řadící táhla se pak navzájem ovlivňují. Pokud není řadící páka v převodovce ve správné poloze, může ovládat místo jedné dvě řadící vidlice a protože jsou navzájem vůči sobě blokované, nelze zařadit žádný stupeň, případně se zařadí stupeň úplně jiný než požadujeme. Problém řazení u Š 742 je v uložení motoru vzadu, kde je od řadící páky k převodovce relativně daleko a navíc přístupná trasa je možná pouze středovým tunelem. Přímé propojení řadící páky přes konzolu a ovládací tyč není možné z důvodu nutnosti zachování možnosti vzájemného pohybu převodovky a karosérie kvůli omezení přenosu vibrací a tak musí být použit mezičlánek. Původně používaný domeček se dvěma pryžovými díly byl (po 23 letech!) nahrazen kloubovým spojením. Kloub sice omezil přenos hluku do karosérie, ale obě tato řešení vnáší do řazení vůle, které přesnosti řazení příliš nepřidávají. Prověšení silentbloků motoru naruší souosost převodovky a řadícího táhla, což vede u kyvadlových náprav k občasnému samovolnému vyřazení převodového stupně při přejezdu zvlněných úseků zadními koly (platí hlavně pro staré provedení řadícího táhla). Pro přímé ovládání lanovody zde není dostatek prostoru (musela by se vyrobit atypická konzola s klouby a na převodovce mechanizmus s kloubem taktéž). Vyřešit samodomotuningem propojení řadící tyč napevno s řadící pákou převodovky a řadící konzolu umístit na speciální rameno, které připevníme k převodovce (jako u Favorita), nebude vzhledem k vzdálenosti řadící konzoly od převodovky a rozměrům tunelu vůbec jednoduché. V tunelu překáží lana ruční brzdy a hadice k topení, lanovod sytiče a plynu. Problémem je také uložení motoru, kdy i malé prověšení silentbloků vykloní převodovku natolik, že by se případné rameno opřelo o horní stěnu tunelu. Takže tudy cesta asi nepovede. Kdo se s tím chce babrat, může vyzkoušet ovládání pomocí hydraulických válečků.

Řazení zpětného chodu: většinou se používá přesunutí vloženého kola zpětného chodu s rovnými zuby do záběru, je proto vhodné a by vozidlo bylo v klidu a kola se netočila. Pokud je řazení hlučné, spojka špatně vypíná a hnací hřídel se stále otáčí. V případě vypadávání zpětného chodu při zatížení je vložené kolo zpětného chodu špatně vystředěno a výslednice hnacích sil ho vytláčí na stranu, prostě kolo není dostatečně zasunuto do záběru. Jedinou pomocí je demontáž převodovky a seřízení řadící vidlice.

 

Pokračování.

Převodovky 2 3.30/5 (66.00%) 10 votes


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: