1. fejezet - Tengelykapcsolók működtetésének mechatronikája
1.1. A gépjárművek tengelykapcsolóinak feladata
A motor és a hajtómű között létesít súrlódás révén, a sebességfokozatok kapcsolását lehetővé tevő, oldható nyomaték átviteli kapcsolatot. A tengelykapcsoló teszi lehetővé, hogy a belsőégésű motor alapjárati fordulatszámon működjön, miközben a gépkocsi áll. A gépkocsi indulásakor és azután a sebességfokozatok váltásánál pontos és mérsékelt sebességű tengelykapcsoló működtetés szükséges. Menet közben, különösen hegymenetben a sebességváltás gyors kell legyen, hogy a gépkocsi ne veszítse el a lendületét, a tengelykapcsoló működtetés is ennek megfelelően a megszokottól gyorsabb kell bekövetkezzen. Ezen kívül a tengelykapcsoló kiegyenlíti a motor és a sebességváló közötti kis mértékű forgástengelyek közötti szögeltérést és az egytengelyűségtől való eltérést, továbbá csillapítja a torziós lengéseket is.
Ezen kívül lehetővé teszi:
-
a gépkocsi megállását anélkül, hogy leállna a motor,
-
a tengelykapcsoló csúszása miatt lágy, rángatás mentes lehet a gépkocsi elindulása,
-
csillapítja a motortól származó nyomatéklengéseket,
-
védelmet nyújt a hajtómű egység mechanikus túlterhelése esetén.
A korszerű gépkocsikba a SAC, (Self Adjusting Clutch) önműködő utánállítású tányérrugós tengelykapcsolókat szerelnek be. Ezzel csökken a működtetéshez szükséges erő és a karbantartási igény is. A tengelykapcsoló házba szerelik be az automatikusan működő utánállító szerkezet ferd helyzetű rámpáját.
1.2. A gépjárműveknél alkalmazott tengelykapcsolók
-
egy tárcsás, szárazlemezes tengelykapcsoló, melyet személygépkocsiknál és haszonjárműveknél egyaránt alkalmaznak. Kiviteli változatai:
-
tekercsrugós (régebben alkalmazott változat)
-
tányérrugós (jelenleg ez az általánosan elterjedt változat)
-
-
két tárcsás, szárazlemezes (haszonjárműveknél a nagyobb nyomaték miatt és személygépkocsik DSG sebességváltóinál alkalmazzák. Ez utóbbi a gyorsabb fokozatkapcsolást tesz lehetővé.
-
több tárcsás olajlemezes (automatikus működésű sebességváltóknál)
-
röpsúlyos (mopedeknél, motorkerékpároknál)
-
hidrodinamikus (hűtő ventilátor hajtásnál)
-
mágnes-poros tengelykapcsoló (fokozatmentes hajtóműveknél)
-
körmös kapcsolók (ezeket újabban az automatikus működésű DSG sebességváltó bizonyos fokozatainak kapcsolásánál alkalmazzák).
A gépjárművek tengelykapcsolóinak működtetése:
A komfort igények növekedése miatt a tengelykapcsoló működtetését a konstruktőrök igyekeznek minél kisebb erőszükséglettel megvalósítani, illetve automatizálni. Hasonló módon mint a sebességváltóknál. A kisebb zajszinthez és a komfortosabb működéshez hozzájárul az 1985 –óta alkalmazott kéttömegű lendítőkerék is (ZMS). A másik fontos tendencia, hogy a gyártók szeretnének rendszerbeszállítókká válni. Egy tányérrugós tengelykapcsolónál például a kinyomó-csapágy elmozdításához szükséges kb. 2000 N erőt hidraulikus működtetéssel, vagy különböző mechanikus áttételekkel igyekeznek jelentősen csökkenteni.
A tengelykapcsoló működtetésének főbb szempontjai:
-
kifogástalan, vonszoló nyomaték mentes oldás,
-
ergonómiailag kedvező pedálerő és elmozdulás karakterisztika megvalósítása, hideg és meleg állapotban egyaránt,
-
zaj és vibráció mentes működtetés,
-
kifogástalan működtetés induláskor és sebességváltás közben,
-
lengésmentes és minimális holtjátékú működtetés.
A tengelykapcsoló működtetésének lehetőségei:
-
mechanikus működtetés (bowdennel, vagy rudazattal)
-
elektromechanikus többnyire automatizált sebességváltóknál (a villanymotor, csigahajtás és golyósoros csavarorsó – csavaranya áttétellel, vagy újabban már lineáris motorral végzett működtetés).
-
hidraulikus működtetés (a pedálerő a fő-hengerben hidraulikus nyomást hoz létre, amit csövön a munkahengerhez vezetve, az mechanikai munkává alakít, a működtetéshez a nyomástárolóban lévő nyomás is felhasználható).
-
pneumatikus működtetés mely a sűrített levegő rendszerrel ellátott haszonjárművekre jellemző. Jelentősen csökkenti az erőszükségletet.
A tengelykapcsolók fokozódó automatizálási igénye
Az egyre nagyobb forgalomsűrűség, a dráguló hajtóanyagok, a környezetkímélőbb közlekedés, a komfortosabb autózás igénye miatt a egyre nagyobb a jelentősége, hogy automatizálják a hajtáslánc elemeit. Ennek egyik példája a kézi kapcsolású sebességváltók automatizálása ASG (Automatisierten Schaltgetrieben), amely önműködő tengelykapcsolót igényel. Ez különösen a kisautóknál vált sikeressé (például: Opel Cosa Easytronic sebességváltó, VW Lupo, Toyota Jaris).
1.3. A mechatronika alkalmazásának fontosabb területei a tengelykapcsoló működtetésénél
-
a tengelykapcsoló kiemelésének megvalósítása elektrohidraulikus, vagy elektromechanikus módon.
-
a tengelykapcsoló működtetési útjának érzékelése, illetve a súrlódó betét kopásának érzékelése (induktív elmozdulás érzékelővel, vagy potenciométerrel).
-
a tengelykapcsoló csúszásának érzékelése fordulatszám különbség alapján (motor fordulatszám és sebességváltó bemeneti fordulatszám összehasonlításával).
A tengelykapcsoló automatikus működtetetést, és ellenőrzését a sebességváltó elektronika végzi. Alkalmazhatnak mechatronikus tengelykapcsoló működtetést kézi kapcsolású sebességváltóknál is, amely megkönnyíti a gépkocsi vezetését, mert nem kell „kuplungolni” (pl.: rokkant autók).
1.3.1. Elektromechanikus tengelykapcsoló működtetés
A fejlesztés az LuK és a Robert Bosch GmbH. együttműködésében történt. Az XSG családnál a mechanikus működtetés önzáró csavarhajtással, vagy csigahajtással történhet. Ennél az egységnél nem alkalmaznak hidraulikát.
Szénkefe nélküli villanymotor végzi a működtetést.
Ha nem kéttömegű lendítőkereket alkalmaznak a működtető elektronikát ellátják egy csúszás szabályzó algoritmussal is.
A mechanikus kiemelő szerkezetnél golyósoros emelőpályát alkalmaznak, melynél a működtető egység bowden huzallal fejti ki az erőt. Ekkor a beavatkozó egység a tengelykapcsoló közelébe szerelhető fel. A kinyomó-csapágy működtetése a másik típusváltozatnál mechanikus állétellel is történhet. Ennek azonban nagyobb a helyigénye.
A tengelykapcsoló és a sebességváltó működtetéséhez új villanymotorokat fejlesztettek ki. Ezzel helyettesítik a korábban alkalmazott ablak-emelőknél is használatos DC motorokat. Azért is szükségessé vált a fejlesztés, mert ennél nagyobb a mechanikai igénybevétel, a hőmérséklet és a rezgés is, valamint a sós víz is hatást gyakorol rá. Az tűzték ki célul, hogy a hidraulika nélkülözhetővé váljék és a lehető legkisebb tömegű lehessen a beavatkozó egység. A Bosch-al közösen fejlesztetté ki az olcsóbb kivitelű, de nagyobb teljesítményű szénkefe nélküli típusból. Elektronikus kommutációt valósítanak meg, ez adja a villanymotor típusmegjelölésnél használt EC rövidítést. A mágnesnél alkalmazott ritka földfém ötvözők alkalmazásával a motor kompakt kivitelű lett. A forgórész tömege kedvezően kicsi. A villanymotor közvetlenül a tengelykapcsoló házra szerelhető.
Toyota elektromechanikus tengelykapcsoló működtetés:
A villanymotor mechanikus áttételek segítségével végzi a tengelykapcsoló működtetését. A működtető elektronikának potenciométer jelzi vissza a tengelykapcsoló működtetési útját. Ebből meghatározható a tengelykapcsoló súrlódó betétjének kopása.
1.3.2. Elektrohidraulikus tengelykapcsoló működtetés
Elektronisches Kupplungsmanagement (EKM), rendszert építettek be például a Mercedes A-osztályba és az Opel Corsa Easytronic automatizált sebességváltónál.
A tengelykapcsoló működtetéséhez villanymotoros, csigahajtással és mechanikus áttétellel mozdítja el a hidraulikus főhenger dugattyúját. Az így létrehozott olajnyomást cső vezeti a munkahengerhez, melynek dugattyúja kar áttétellel emeli ki a tengelykapcsolót. Ennek a változatnak az előnye az, hogy a működtető hidraulikarendszerhez nem szükséges nyomástárolót felszerelni.
A tengelykapcsoló működtetésekor több tényezőt is figyelembe kell venni
A tengelykapcsoló működtetése különösen elinduláskor és manőverezésnél, de a sebességfokozatok kapcsolásakor finoman adagolható kell legyen. Vészfékezésnél vagy megálláskor az indulásnál lényegesen nagyobb dinamikával kell nyitni a tengelykapcsolót. Emelkedőn, vagy lejtőn haladáskor is más a dinamikai igény. A sebességfokozat bekapcsolásakor a működtetés precízen és a kellő pillanatban kell bekövetkezzen.
Elektronikus tengelykapcsoló működtetés
Egyre nagyobb a jelentősége az elektronikus tengelykapcsoló működtetésnek. A LuK által kifejlesztett elektronikus tengelykapcsoló működtetés főbb egységei:
-
egytárcsás, szárazlemezes tengelykapcsoló
-
hidraulikus teljesítmény szabályozás
-
elektronikus szabályozás
-
érzékelők.
Az alkalmazott hidraulikus nyomás általában 40 – 60 bar közötti, melyet vagy egy villanymotorral hajtott hidraulikaszivattyú hozza létre, vagy a gépkocsi központi hidraulika rendszere biztosítja. A tengelykapcsoló működtetését végző munkahenger arányos működtetésű szeleppel történik, melyet az elektronika működtet.
Az alkalmazott érzékelők:
-
Tengelykapcsoló elmozdulás érzékelő Induktív útadó, vagy potenciométer)
-
A sebességfokozat felismerése (állandó mágnes a kapcsoló rudazaton és Hall érzékelő)
-
Motor fordulatszám (mágnesesen kódolt gyűrű és Hall érzékelő)
-
Sebességváltó bemeneti fordulatszám (mágnesesen kódolt gyűrű és Hall érzékelő)
-
Gázpedál helyzet (potenciométer, vagy PWM jeladó)
-
Pillangószelep helyzet (potenciométer).
A szabályozó program három almodulból áll:
Ezek különböző működési módoknál avatkoznak be.
-
álló helyzet és elindulás
-
sebességfokozatok kapcsolása
-
gyorsítás, lassítás, manőverezés
Az EKM (Elektronikus Kuplung Működtetés) flexibilis működésű és a gépkocsi számos működési paraméterét figyelembe veszi.
Elektrohidraulikus tengelykapcsoló működtetés
A Renault és a Fiat automatizált sebességváltóinál villanymotorral hajtott hidraulika szivattyút és nyomástárolót alkalmaznak a tengelykapcsoló működtetésére és a sebességfokozatok kapcsolásához.
A tengelykapcsoló nyitásához a nyomástárolóból elektromágneses szelep vezérli ki az olajnyomást a munkahengerbe. Annak dugattyúja Bowdennel adja át a működtető erőt a kiemelő szerkezetnek. A tengelykapcsoló zárása és a munkahenger dugattyújának visszaállítása rugókkal történik. A tengelykapcsoló elmozdulását potenciométer jelzi vissza az elektronikának. Ebből az elektronika a megfelelő algoritmussal a betét kopottságát is meg tudja állapítani.
A villanymotor, a mechanikus áttétel és a hidraulika egyetlen közös szerelési egységet alkot. Amikor zár a tengelykapcsoló nincs kivezérelt nyomás.
Elektrohidraulikus tengelykapcsoló működtetés
A tengelykapcsoló nyitásához a nyomástárolóból elektromágneses szelep látja el olajnyomással a munkahengert. Nem szabad megfeledkezni a nyomás kivezérlés és a nyomás csökkentés dinamikájáról sem, mert alapvetően az befolyásolja a tengelykapcsoló működésének minőségét. A munkahenger dugattyúja például egy bowdennel adhatja át a működtető erőt a kiemelő szerkezetnek. A tengelykapcsoló zárása és a munkahenger dugattyújának visszaállítása rugókkal történik. A tengelykapcsoló elmozdulását potenciométer jelzi vissza az elektronikának. Ebből az elektronika a megfelelő algoritmussal a betét kopottságát is meg tudja állapítani.
A VW Lupo –nál a hidraulikus tápegységen helyezik el a tengelykapcsolót működtető elektromágneses szelepet. Az elektronika áramot kapcsol az elektromágneses szelepre, amikor a tengelykapcsoló nyit, részlegesen, vagy teljesen. Nincs kivezérelt nyomás, amikor zár a tengelykapcsoló.
Tengelykapcsolót működtető elektrohidraulikus FTE gyártmány egység
Az FTE vállalat olyan elektrohidraulikus tengelykapcsoló működtető egységet gyárt, amely az elektronikától a CAN hálózaton keresztül kapja az utasítást a tengelykapcsoló kiemelésére illetve zárására. Az egyenáramú villanymotort impulzus szélesség vezérelt jel működteti. Az eredő feszültséggel arányos lesz a dugattyú elmozdulás. A kedvezőbb hatásfok érdekében golyó visszavezetéses menetes orsóval mozgatja a dugattyút, amely a működtető nyomást hozza létre.
1.3.3. Elektromechanikus tengelykapcsoló működtetés lineáris motorral
Az Opel Corsa Easytronic automatizált sebességváltóhoz az olaszországi Ricardo vállalat lineáris motoros tengelykapcsoló működtető egységet fejlesztett ki.
A fejlesztéseknél azt kellett figyelembe venni, hogy a tengelykapcsoló működtetés szempontjából az a legnehezebb üzemállapot, amikor a gépkocsi a legnagyobb teljesítménnyel gyorsul és utána, mindjárt nagy fékezés következik valamely váratlan forgalmi esemény miatt. Először induláskor zár a tengelykapcsoló és nagy nyomatékot visz át, majd röviddel utána nyit, hogy a motor ne fulladjon le. Erre a folyamatra csupán 50 - 90 ms áll rendelkezésre. Ez nagy követelményt támaszt a villanymotoros tengelykapcsoló működtetéssel szemben, mert a zárás után le kell győzni a működtető egység tehetetlenségét és gyorsan ellentétesen kell mozgatni. Amennyiben ezt elektromos lineáris motorral valósítják meg, a működtetéshez szükséges energia az akkumulátorból nyerhető ki.
A lineáris villanymotor előnyös, mert elmarad a mechanikus hiszterézis. Kevesebb részegységből áll, ezért nagyobb a megbízhatósága. Közvetlen működtető erő valósítható meg mechanikus áttétel nélkül. A feladat ellátására úgynevezett „elektromechanikus lineáraktuátort” fejlesztettek ki. A teljesítmény erősítéshez egy elektronikus vezérlésű H-hidat alkalmaznak.
1.4. A tengelykapcsoló pedálnál alkalmazott érzékelők
A hagyományos tengelykapcsolóval és sebességváltóval szerelt korszerű személygépkocsiknál egyre több tengelykapcsoló működtetés függő elektronikus szabályozást valósítanak meg. Az ezzel kapcsolatos tudnivalókat itt foglaljuk össze.
Néhány példa a tengelykapcsoló pedál érzékelők alkalmazására:
-
A motor elektronika a takarékosság jegyében megváltoztatja a tüzelőanyag befecskendezést nyitott tengelykapcsolónál. Ezzel egyaránt csökkenthető a tüzelőanyag fogyasztás és a kipufogógáz emisszió is. Ennek megfelelő működés különösen városi forgalomban nagy jelentőségű.
-
A tengelykapcsoló pedál helyzet érzékelőjének jelét hasznosító rendszerek közé sorolható az USA-ban és Japánban a gépkocsikba kötelező alkalmazású úgynevezett „Start-Lock” működés. Ezt a hagyományos mechanikus sebességváltós gépkocsiknál alkalmazzák. Megakadályozza, hogy bekapcsolt sebességfokozatnál az indítómotor azonnal mozgásba hozza a gépkocsit. Ezzel elkerülhetővé válnak a kisebb koccanásos balesetek. Ez a rendszer csak akkor engedi az indító motort működni, amikor a tengelykapcsoló kiemelt állapotban van. Ezt az állapotot érzékelő jelzi az indítómotor áramkörének.
-
A tengelykapcsoló állapot információt használja fel az elektromechanikus rögzítő fék is a működéséhez. Erre a jelre kezdődhet a rögzítő fék automatikus oldása.
A fentiekben említett rendszerek működéséhez fontos a tengelykapcsoló pedál helyzetének, illetve elmozdulásának pontos érzékelése. Ez utóbbi információnak a betét kopottságára vonatkozó diagnosztikai tartalma is van. Ezek miatt különböző érzékelőket szerelnek fel a kuplung pedálra. Ezeknek olykor szélsőséges hőmérsékleteknél is működniük kell. Figyelembe kell venni továbbá azt, hogy a tengelykapcsoló pedálnál az érzékelő felszerelésének helyén 20 – 30 mm az elmozdulás.
A tengelykapcsoló pedálnál alkalmazható érzékelők, melyek más célokra a továbbiakban tárgyalt egységeknél is előfordulhatnak:
-
Mikrokapcsoló, melynek házában mechanikusan működtetett érintkezőket szerelnek be. Költségkímélő megoldásnak számít, de felléphetnek korróziós problémák kopás és a rugó kifáradása is. Ezek a jelenségek hátrányosan befolyásolják a működést és korlátozzák az élettartamot.
-
Reed relé érintésmentesen működik, nem tartalmaz kopó alkatrészt. Légmentesen zárt térben lévő érintkezőket zár a tengelykapcsoló pedállal együtt elmozduló állandó mágnes. Működése megbízható, élettartama hosszú.
-
Hall elemes kapcsoló egy IC tartalmazza ezt az egységet. A mágneses erőtér változása μV nagyságú feszültséget kelt, amit erősítő fokozaton keresztül válik használható információvá. Nagyon pontos, érintésmentes működésű kapcsoló. Széles körűen alkalmazzák.
-
Potenciométer ezzel a pedál elmozdulás nagysága és a pillanatnyi helyzete is kiértékelhető. Gyakran alkalmazzák az elforduló kivitelű változatot. Hátránya az, hogy kopó részegységet tartalmaz, ami korlátozza az élettartamát és a megbízhatóságát. A rákapcsolt tápfeszültségből az elmozdulással arányos feszültség jelet ad.
-
Induktív érzékelő a potenciométer hátrányos tulajdonsága ezzel kiküszöbölhető. Érintésmentesen működik és nem tartalmaz kopó alkatrészt. Váltakozó mágneses erőterű adó tekercsből és több vevő tekercsből is állhat. Az elektromos jel a vevő tekercs helyzetével arányos. Hosszú élettartam és nagy megbízhatóság jellemzi.
-
Magneto-induktív érzékelő az alkalmazott állandó mágnes elmozdulását érzékeli a PLCD (Permanantmagnetic-Linear-Contactless-Displacement) érzékelő. A lágymágnes magot egy tekercs veszi körül és két kiértékelő tekercset alakítanak ki a végeinél. A jelképzésnél egy állandó mágnes közelít az érzékelőhöz. Differenciál transzformátorként történik a jel kiértékelése. Az érzékelőben a mágnes helyzetétől függő jel jön létre.
1.5. Elektro-pneumatikus tengelykapcsoló működtetés
Ezt a tengelykapcsoló működtető változatot sűrített levegő ellátó és tároló rendszerrel ellátott haszonjárműveknél alkalmazzák. Az elektro-pneumatikus tengelykapcsoló működtető egység betölti a rásegítő feladatát is, mert hatékonyan csökkentik a működtető erő szükségletet. Leggyakrabban automatizált sebességváltóval szerelt haszonjárműveknél alkalmazzák. Minden sebességváltáskor működteti a tengelykapcsolót. A működtető egységet (1) a sebességváltón kialakított tengelykapcsoló házra szerelik. A pneumatikus tengelykapcsoló működtetés teljesen automatikusan történik. A vezérlését a sebességváltó elektronika végzi (2). A kábelköteg (3) a tengelykapcsoló működtető egységhez van rögzítve és egy elektromos csatlakozón keresztül áll kapcsolatban a sebességváltó elektronikával.
Az elektro-pneumatikus tengelykapcsoló működtető egység: olyan konstrukció, hogy bizonyos zavaró körülmények nem váltanak ki váratlan reakciókat a tengelykapcsoló működtetésében. A négy elektromágneses szelep, az elmozdulás érzékelő, és a visszacsapó-szelep biztonságos és precíz tengelykapcsoló működtetést tesz lehetővé.
A tengelykapcsoló működtető egység fő részei:
-
Az első házrészben található a munkadugattyú.
-
A hátsó részben van a négy elektromágneses szelep, az elmozdulás érzékelő, az elektronika és a visszacsapó szelep. A hátsó házrész fedelébe rögzítik a kábelköteget.
A négy elektromágneses szelep működteti a sűrített levegő energiájával a tengelykapcsolót. Ezek közül kettő kis átömlési keresztmetszetű és a lassú működtetést végzi. A másik kettő nagyobb átömlési keresztmetszetű, ezek feladata a gyorsabb működtetés.
A munkahenger dugattyú helyzetét és ezzel együtt a tengelykapcsoló helyzetét is induktív elmozdulás érzékelő figyeli. Az elmozdulás érzékelő egy rögzített tekercsből és egy mozgó vasmagból áll, amely kapcsolatban van a dugattyúval. Az elmozdulás érzékelő a sebességváltó elektronikától pontosan beállított tápfeszültséget kap és a dugattyú helyzetének megfelelő feszültség jelet ad az elektronikának. Ebből a jelből az elektronika pontosan meghatározza a tengelykapcsoló pillanatnyi helyzetét és a löketet. Így a tengelykapcsoló kiemelése és zárása a pillanatnyi igényeknek mindig megfelelő. További lehetőség, hogy a sebességváltó elektronika a löket meghatározása alapján meg tudja állapítani a súrlódó betétek pillanatnyi kopottságát. Így a vezető megfelelő időpontban tájékoztatást kaphat a szükségessé váló súrlódó betét cseréről.
A ház hátsó részén helyezték el a sűrített levegő csatlakozást. Ha sűrített levegő ellátásban nem várt tömítetlenség lép fel, a csatlakozóba beépített visszacsapó-szelep megakadályozza, hogy az éppen nyitott tengelykapcsoló záródjon. Erről az állapotról a sebességváltó elektronika nem kap jelzést.
Kiemelt tengelykapcsoló
A tengelykapcsoló oldásához a munkahenger két elektromágneses szelepen keresztül sűrített levegővel töltődik fel. Így a dugattyú ballra mozdul és magával viszi a tengelykapcsoló kinyomó-csapágy működtető karját.
1 henger; 2 nagy keresztmetszetű nyomásnövelő elektromágneses szelep; 3 kis keresztmetszetű nyomásnövelő elektromágneses szelep; 4 nagy keresztmetszetű nyomáscsökkentő elektromágneses szelep; 5 kis keresztmetszetű nyomáscsökkentő elektromágneses szelep
Zárt tengelykapcsoló
A tengelykapcsoló záráshoz a munkahengerből a sűrített levegőt két másik elektromágneses szelep engedi a szabadba. A tengelykapcsoló visszaállító ereje mozdítja vissza a dugattyút alaphelyzetbe.
Alkalmazási példák: ZF AS Tronic sebességváltó, VolvoI „I-Shift“ sebességváltó.