3. fejezet - Sebességváltó és beavatkozó rendszerek (funkciók, aktuátorok, szabályozási körök)

Ezeknél a korszerű berendezéseket a kettős tengelykapcsolóval rendelkező (DSG=DoppelSchaltGetriebe) sebességváltók jelentik. Ezek a hajtóművek a korábbiakhoz képest könnyebben beépíthetők a keresztmotoros személygépkocsikba 6 vagy 7 fokozatú kivitelben is, fokozatkapcsolásuk jól automatizálható, és megvalósítható velük a nyomaték megszakítás nélküli sebességváltás.

A DSG sebességváltó lényege, hogy két behajtó tengelye van (zöld és piros), amelyeket kettős tengelykapcsoló köt a motor főtengelyhez, illetve két kihajtó tengelye van amelyek a differenciálmű házhoz kötött nagy fogaskerékhez kapcsolódnak egy-egy lehajtó fogaskerékkel. A piros tengelyhez kapcsolódik az 1., 3., 5. és a hátrameneti fokozat szinkron szerkezete, míg a zöld behajtáshoz van kötve a 2., 4. és 6. fokozat kapcsolása. Ez azt jelenti, hogy amíg az egyik behajtó tengely a motorhoz van kötve, addig a másik tengelyen is bekapcsolható a fokozat, de azon nyomatékátvitel nem történik. A fokozatváltásnál a bekapcsolt pl. 3. fokozat előtti 2. vagy utáni 4. fokozat úgy kapcsolódik, hogy a nyomaték nélküli (zöld) tengelyhez kötött kapcsolót zárják hajtás közben és a tényleges kapcsolás a két tengelykapcsoló működtetésével, ebben az esetben a piros nyitásával és a zöld egyidejű zárásával történik. A kapcsolás tehát nyomatékkal terhelt hajtóműláncban történik a két tengelykapcsoló egyidejű csúszása és nyomaték átvitele mellett. Ezt a kinetikailag kedvezőtlen állapotot gondosan kell kezelni a kapcsolási folyamat vezérlése során tengelykapcsoló nyomások pontos szabályzásával, vagy a vezérlést irányító függvények pontos megadásával. A folyamat során a piros tengelykapcsoló nyomása és nyomaték átvitele csökken a zöld tengelykapcsolóé pedig egyidejűleg nő. A nyomás vezérlés vagy szabályzás a két tengelykapcsolóban PWM vezérlésű proporcionális hidraulikus szeleppel történhet pl. az alábbi ábra szerint.

Az ábrán két kapcsolási stratégia összehasonlítása látható [3.3.] . A PWM impulzus kitöltési tényező (duty ratio) a vékony vonal, a bekapcsoló tengelykapcsolónál o-val jelölt, a kikapcsolónál x-szel jelölt görbén látható. A kialakult nyomásokat vastag vonal mutatja az idő függvényében. Az alsó diagram aktívnak nevezett fejlesztett elektronikus nyomásvezérlése kedvezőbb tengelykapcsoló összenyitási állapotot eredményezett.

A tengelykapcsoló, amelyben a fenti átkapcsolás megvalósítható az alábbi ábrán látható:

Kék a motorhoz kapcsolódó elemek, piros és zöld a sebességváltó két behajtó tengelyéhez kapcsolódó elemek és bronz a működtető dugattyúk színe. A dugattyúk belső felületére jut a tengelyen keresztül az olajnyomás.

A fokozatok szinkron kapcsolóval történő kapcsolását hidraulikus munkahengerek (aktuátorok) végzik.

A kettős munkahengerrel rendelkező kapcsoló villák a szinkronkapcsolók kapcsológyűrű hornyaiba nyúlnak be, és azokat tengelyirányban mozgatják. A fokozat bekapcsolását mágneses (Hall) helyzet jeladók jelzik. A pontos és nagy élettartamú, játékmentes megvezetésről lineáris golyóscsapágyak gondoskodnak.

A felső szürke görbe ábrázolja a kikapcsoló 4. fokozat aktuátor elmozdulását.

Alatta a fekete görbe a bekapcsoló 2. fokozat aktuátor elmozdulását mutatja. A vezérlési diagramot (nyomás) a két kapcsolóhoz az alsó vékonyabb vonalak ábrázolják. A szétválasztás egyszeri ugrás függvénnyel, az összekapcsolás többlépcsős betolással történik.

A DSG sebességváltók szabályzó rendszere integráltan irányítja a kettős tengelykapcsoló működtetését, a fokozatok kapcsolását, a sebességváltó hűtését és a váltó elemeinek kenését.

A sebességváltó irányító rendszere elektronikus (hw és sw), villamos, hidraulikus és mechanikus elemekből áll.

Az irányítás alapelemei: irányítási algoritmus, irányító szoftver, a szoftver futtatására alkalmas hardver, működtetés (beavatkozók).

A szabályzási algoritmus az alábbi elvi fokozatkapcsolási stratégián alapul.

A kapcsolási stratégia függvényei a célzott vonóerő/motor nyomaték elérését jelentik a járműsebesség/motor fordulatszám függvényében. A stratégia kiválasztásához, amelynek alapján a sebességválás idejének meghatározása történik a következő jellemzőket veszi figyelembe a kacsolást irányító rendszer: a járműre ható külső terhelés (hegy menet, utánfutó), a járművezető vezetési jellemzői, kick down kapcsoló, telematika (külső logisztika, irányítás), különleges feladatok (haszonjármű esetén), ASR, motor fordulatszám korlátozás. A megfelelő célfüggvény kiválasztása után jelzi a rendszer a fokozatkapcsolás (motor fordulatszám) igényét és a végrehajtó (aktuátor) rendszer kapcsolja a fokozatot.

A fokozatkapcsolás figyelembe veszi a járművel kapcsolatos összes mérhető és kikövetkeztethető tényezőt természetesen rangsorolva és súlyozva. Az algoritmust leképező szoftver bemenete a kapcsolási stratégia.

A szabályzási folyamat a kapcsolási stratégia szerint megy végbe. A kapcsolás shift by wire rendszere annyit jelent, hogy közvetlen mechanikus összeköttetés nincs a gépkocsivezető és a kapcsolt elemek között (még akkor sem, ha a rendszert tengelykapcsoló pedállal és kézi váltóval szerelten adják el!). A jármű koordinátor a járművel kapcsolatos szoftver modult jelképezi, az összes váltón kívüli járműjellemző feldolgozását jelenti. A központi vezérlő modul végzi a fokozatkapcsolás futtatását, ehhez kapcsolódnak a beavatkozás moduljai: a tengelykapcsolóba, a fokozatkapcsolásba illetve a motorba történő interaktív beavatkozások irányítása céljából. A tengelykapcsoló modellje központi szerepű, mind a fokozatkapcsolásban, mind pedig az ezen kívüli hajtási eseményekben is szerepet játszik. A diagnosztikai modul minden egységgel kétirányú kapcsolatban van, felügyeli a rendszer állapotát és szükség esetén vész üzemmódra állítja át. A végrehajtás elemei hidraulikusan működnek, ezeket a nyomás vezérlő rendszer irányítja. A hardverekhez kapcsolódó szoftver jelenti az operációs rendszert.

A szoftverek futtatása a kapcsolódó hardver rendszeren történik, amely több processzorból és elektronikai egységből áll. A járműhöz illetve ezzel a gépkocsivezetőhöz az elektronikai egység a kommunikációs rendszere(ke)n keresztül kapcsolódik. Ki és bemeneti egységein keresztül közvetlenül a jeladókhoz, aktuátorokhoz, kijelzőhöz és a járműdiagnosztikához (csatlakozó) kapcsolódik. A bemeneti jelek a következők: Tápfeszültség, gyújtásjel, tengelykapcsoló jeladók, fordulatszám jeladók, fokozati jeladók, nyomásjeladók, hőmérséklet jeladók. A kimenetek: jeladók táplálása, táp kimenet, tengelykapcsoló szelepek, kapcsolószelepek, választó szelepek. Az interaktív kapcsolatokat a CAN hálózatokra, a kezelő kijelző egységre és a diagnosztikai rendszerre való kapcsolódások jelentik.

A példaként választott DSG sebességváltóban az alábbi jeladók találhatók:

A sebességváltó a fokozatkapcsolás aktuátor rendszerét

A mechatronikának nevezett egység rétegezetten tartalmazza az elektronikát, a villamos és a hidraulikus vezérlőelemeket.

K1 és K2 a tengelykapcsolók vezérlő szelepei, a Schaltventil Gangsteller pedig a fokozatkapcsoló elektromágneses hidraulika szelepeket jelöli.

A kapcsolószelepek egy multiplexer nevű szeleprendszer segítségével két fokozatkapcsolására képesek.

A hidraulikus és elektronikus rendszer között villamos (nagy teljesítményű) elemek, főként PWM vezérlésű kapcsoló és nyomás szabályzó elektrohidraulikus szelepek vannak.

A hidraulikus rendszer részei:

A motor főtengelye állandóan hajtja a fogaskerekes hidraulika szivattyút (olajnyomás 0..20 bar        olaj térfogat áram 15..90 l/min teljesítmény felvétel: 2,0 kW a legnagyobb motor fordulatszámnál).

A hidraulikus vezérlés vezérlőegységből, a szelepblokkból, és a csatornablokkból áll.

Az összeköttetést a váltó és gépkocsi között egy 20 pólusú elektromos csatlakozó valósítja meg.

A gépkocsivezető a sebességváltás folyamatába az előválasztó karral és a gázpedállal tud közvetve beavatkozni.

A járműmodelltől függő a külső kapcsolhatóság: előválasztó kar automata és tiptronic állásban, illetve kapcsológombokkal a kormánykeréken kézi kapcsolással, H rendszerű kézi kapcsolású sebességváltó kar.

Automata üzemmódban D és S kapcsolóprogramok közül lehet választani (D normál, S sportos kapcsolás). „D“ fokozatban alacsonyabb a kapcsolási fordulatszámtartomány és mérsékelt tüzelöanyag felhasználás jelentkezik.

Az un. MVEG ciklus alatti (Motor Vehicle Emission Group) a fogyaszási értékek hasonlóak a normál kéziváltós gépkocsikhoz.

A Tiptronic annyit jelent, hogy a fokozat kapcsolás kézzel a sebességváltó kar le föl mozgatásával történhet. Ekkor a vezető a karral a fokozatokat sorrendben le föl kapcsolgathatja mikrokapcsolók működtetésével. Egyes esetekben, ha többször billentjük a váltókart egymás után elvileg akár több fokozatot is kapcsolhat. A váltó szabályzó rendszer a kapcsoló működtetésre azonban csak egy fokozatkapcsolási kívánságot kap, a kapcsolást a szabályzó rendszer végzi, a vezető hibás vagy veszélyes működéshez vezető szándékát felülbírálja.

Kickdown lenyomás esetén a gázpedál állás a CAN-en keresztül „S“ programba kapcsol.

Creep-Szabályozás (kúszás szabályozás)

Hillholder funkió: megtartás szabályozás

Diagnosztika

A száraz tengelykapcsoló részint a korábbiakban márt írtak szerint energiatakarékosabb megoldás, mert a nyomaték átvitelhez szükséges normál erőt rugó hozza létre, másrészt a járművek indításánál és a fokozatkapcsolásnál a többi sebességváltóban jól bevált szerkezetet, annak elemeit itt is érdemes felhasználni. A fogaskerekes válót részének alapelvei egyeznek a korábban ismertetett váltóéval.

Tehergépkocsik sebességváltói nem csak méretükben, fokozatszámban különböznek a személygépkocsikétól, hanem a felépítési szerkezetben is. A személygépkocsiktól eltérő használati feltételek, a gyártási példányszám valamint a fejlesztés történet a konstrukcióban is jelentős különbségeket eredményezett.

A haszonjárműveknél is léteznek kézi, automatizált kapcsolású és teljesen automata váltók. A kézi kapcsolású váltókban a mechatronika korlátozott szerepet játszik. Egyes típusokban működnek egyszerű mechatronikus elemek, de az igazi terepet az ilyen szerkezetek számára az automata és automatizált váltók jelentik.

Automatizált kapcsolású sebességváltó a ZF Astronic hajtómű család. Mechanikai felépítését tekintve rendkívül egyszerű: száraz súrlódó tengelykapcsoló és egy előtettengelyes sebességváltó felező előtét illetve szorzó utó hajtóművel.

A kék színű tengely a tengelykapcsoló súrlódó tárcsa nyeles tengelye, amihez a két fokozatú primer áttételt adó felező csoport kapcsolódik. Az alapváltó piros, két előtét tengellyel rendelkezik a nagyobb terhelhetőség és élettartam érdekében. A zöld bolygóműves szorzómű napkereke az alapváltó kihajtó tengelyén van a koszorúkerék fékezhető.

A váltó metszeti rajzán látszanak a kapcsoló szerkezetek szinkronizálva az előtét és szorzóműnél, szinkron nélküli bordás gyűrűk a fő (középső) váltó résznél.

A fokozatok kapcsolását a kapcsolóegység végzi pneumatikus munkahengerek segítségével. A felező- és a szorzó váltó működtetését egy-egy különálló kapcsolóhenger hajtja végre. A váltó felső részében lévő kapcsolóegységben integrált a sebességváltó elektronika, a „kapcsolás", “előválasztás", és a“váltófék“ működtető szelepek, a kapcsolóhengerek, fordulatszám, nyomás, stb. jeladók, a nyomáskorlátozó szelep, az elektromos és pneumatikus csatlakozások.

Az alapváltó körmösnek nevezett (igazából bordás) kapcsolású (nem szinkronizált), a felező és a tartományváltó szinkronizált kapcsolásúak. A fogaskerekek magas teljesítményű ferdefogazással rendelkeznek.

A sebességváltó főbb jellemzői:

A fenti szoftver struktúra a ZFASTRONIC szabályzó rendszer szoftver felépítését mutatja. A két fő részből álló informatikai rendszer funkcionális alapeleme CAN interfészből és egy működtető programból áll. A működtetés elemei: fokozatkapcsolás irányítás, tengelykapcsoló működtetés, diagnosztika, az aktuátorok vezérlése, boot szoftver, fenntartó rendszer. Az alaprendszerhez tartozik az összes szükséges jel fogadása és feldolgozása. Az út, fordulatszám, nyomás, hőmérséklet jeladók, illetve a külső jeladók jeleinek fogadását jelenti közvetlenül illetve a CAN hálózaton keresztül.

A másik rész az automatikus menetprogram fő blokkjai: jelfeldolgozás, a különböző üzemmódok irányítása, üzemmódok és kisegítő funkciók.

Az elektronikus egységben a két szoftver blokk fizikailag is el van különítve önálló hardverelemeken.

Az elektronikus rendszer, amely a szoftvert működteti a 2. sz. kapcsolóegységben van. A perifériákkal a CAN hálózaton kommunikál a szabályzó. A kijelző és működtető rendszer saját CAN-BUS-ra van illesztve.

A sebességváltó működtetés jelentős része a tengelykapcsolóra vonatkozik, amelynek indításhoz tartozó részeit a tengelykapcsolóknál ismertettük. A következőkben a sebességváltás folyamatát mutatjuk be, különös figyelemmel arra, hogy a váltó nem szinkronizált, tehát a körmös kapcsolók működtetését az irányító rendszernek kell szinkronizáltan végrehajtatni. Ez nagyon fontos újdonsága a sebességváltónak, mert szabályzással sikerült gépészeti rendszerelemeket megtakarítani.

A kapcsolandó fokozatot az irányítás a kapcsolási diagram alapján határozza meg.

A kapcsolás beépített függvények alapján megy végbe az alábbiak szerint.

A diagramok a motor (piros vonal) és a sebességváltó behajtó (kék vonal) fordulatszámát mutatják. A középső ábrán a zöld mező annyit jelent, hogy a tengelykapcsoló zárt. Az alsó ábrán fölül a zöld mező annyit jelent, hogy sebességben van a váltó, az alsó részen pedig annyit, hogy az előtéttengely fék bekapcsolt állapotban van.

Az A-B1 szakaszban a tengelykapcsoló részleges old és a motor befecskendezési dózis csökken. A B1-C szakasz során a tengelykapcsoló old. A B2-C szakaszban a kapcsolószerkezet oldja az aktuális fokozatot. C-D szakaszban be van kapcsolva a tengelyfék, hogy szinkronizálja a kapcsolandó bordás elemeket. D időpontban kapcsol ki a tengelyfék, amikor minimális fordulatszám különbséget számol a rendszer a két kapcsolandó elem között. A D-E szakasz során kapcsolja be a rendszer a következő fokozatot. E-F szakaszban kezd zárni a tengelykapcsoló az előírt nyomaték függvény alapján. F-G a tengelykapcsoló zárásával a kapcsolás befejeződik.

Visszakapcsolási folyamatnál a kapcsolás a következő: A-B szakaszban részben nyit a tengelykapcsoló és gázelvétel történik. B-C idő alatt a tengelykapcsoló gyorsan nyit. C-D szakaszban kapcsolja ki az aktuális fokozatot. D ponton jelenti a jeladó a kikapcsolt állapotot. D-E szakaszban a tengelykapcsoló részlegesen zár és részleges gázadás történik (gázfröccs), a kapcsolandó elemeket a motor felpörgeti. E-F szakaszban, érzékeli a rendszer a szinkron fordulatszámot és kinyomja a tengelykapcsolót, kapcsolja a következő fokozatot. F-G a kívánt nyomaték függvénynek megfelelően záródik a tengelykapcsoló.

A rendszer tehát a tengely fordulatszámok és az áttételek alapján meghatározza, hogy mikor forognak együtt a kapcsolandó bordás elemek és a kapcsolást ekkor hajtatja végre a pneumatikus munkahengerekkel.

A működtető kar joy-stick-ként használható. Jobbra-balra választható a kézi illetve automatikus üzemmód, előre-hátra pedig kézi üzemmódban szekvenciálisan kapcsolhatók a fokozatok.

Az automata üzemmód egy forgató gombbal állítható D drive=automata, R reverse= hátramenet illetve N neutral=fokozat nincs bekapcsolva állásba.

A kijelző informálja a vezetőt:

Az eddigiekhez képest az automata sebességváltók a felhasználó szempontjából csaknem azonosan működnek, de felépítésük markánsan eltér ezektől. Általános felépítésük leginkább soros elrendezésű, csak néhány váltó típusnál (főként haszonjárműveknél) ettől eltérő ún. átkötött rendszerű. Az elrendezés a váltókban lévő hidrodinamikus nyomatékváltó és a kapcsolódó bolygóművek közötti viszonyra utal. A soros váltók a motorhoz Trilok típusú nyomatékváltóval kapcsolódnak, majd ezt követi a többfokozatú bolygómű. Az átkötött nyomatékváltóknál a hidrodinamikus gép a bolygómű egyes tengelyeit köti össze, teljesítmény elágazást megvalósítva.

Bár a két váltótípus jelentős mértékben eltér a felépítésben, vezérlési, fokozatkapcsolási elveik alapvetően azonosak az indítástól eltekintve nagyrészt megegyeznek az előzőekben tárgyalt automatizált kapcsolású homlok fogaskerekes sebességváltókkal.

Az automata sebességváltók lassan, evolúciós jelleggel fejlődtek az egyszerű járművezethetőség embertől lehetőleg függetlenítése és az adaptív fokozatkapcsolás között. Ebbe a folyamatba robbant be az automatizált váltó, leginkább annak DSG változata, amely a legújabb elvek szerinti mechatronizálással jelent meg. Mindkét váltó fajta jelen van az autózásban, a DSG váltó kétségtelen piaci előnyei pedig várhatóan ezt a fajtát fogják elterjedtebbé tenni.

Az indítás feladatait az automata váltóknál nem súrlódáson alapuló, hanem hidrodinamikus gépek végzik. Ezek az indítást teljesen automatikusan, mindenféle beavatkozás nélkül tudják megvalósítani, mégpedig jelentős tartományban kedvezőbb hatásfokkal a súrlódó gépeknél.

A hidrodinamikus nyomatékváltó előnyeit és használhatóságát a gyakorlat jól bizonyította. Fizikai állapotjellemzőit tekintve a használatos jellegmezői alapján kaphatunk róla képet.

Az ábra alapján megállapítható, hogy két nagy előnye van a súrlódó aszinkron géphez képest: a hatásfoka nagy szlip tartományban jobb, és nyomatékot növel a hidrodinamikus nyomatékváltó. A kisebb szlipnél jelentkező hatásfok romlást a vezetőkerékbe épített szabadonfutóval lehet megszüntetni, amely tengelykapcsoló üzemre állítja át a nyomatékváltót (automatikusan, minden beavatkozás nélkül). A hidrodinamikus váltóra csak indításkor van szükség, ezért a jobb (közel 100%-os) hatásfok érdekében a nyomatékváltót áthidalják egy hidraulikusan működtetett tengelykapcsolóval (lock up) az aszinkronitást nem igénylő fokozatokban.

Az adaptív kapcsolást a sebességváltásnak a vezető beavatkozása nélküli működtetését jelenti. A sebességfokozat kiválasztása automatikusan történik a gépkocsi sebességétől, a gázpedál pozíciójától és a választókar állásától függően, alkalmazkodva a vezetési stílushoz, az út jellegéhez, a domborzati és időjárási körülményekhez, a forgalmi viszonyokhoz. Az adaptív vezérlés a sebességváltó szabályzójába (TCU) közvetlenül bekerülő jeleken kívül felhasználja az összes jármű jellemzőt és adatot, amelyet a többi elektronikus egységtől (ECU-k) a kommunikációs rendszere(ke)n (CAN-BUS) kap meg. A jeleket kiértékelve számítja ki, hogy melyik fokozatban üzemeljen a sebességváltó. A fokozatszám akár 8 is lehet, tehát a fokozat meghatározása különösen a szélsőséges menethelyzetekben kritikus döntést jelent. A TCU által kivezérelt jelek a villamos vezérlő egységbe kerülnek, amelyek jórészt elektromágneses szelepeket és egyéb villamosan működtetett hidraulikus elemeket jelentenek. A hidraulikus rendszer vezérli a végrehajtó egységekett, amelyek általában lamellás szerkezetek beépített munkahengerrel. Ezek fékezik a bolygóműveket, kötik össze – kapcsolják szét tengelyeiket, zárják - nyitják a lock up (a hidrodinamikus nyomatékváltót rövidrezáró) tengelykapcsolót. A fékek, tengelykapcsolók működtetése, hasonlóan a DSG váltókhoz, gázelvétel nélkül, a nyomaték átvitel megtartásával történik. Ilyenkor a súrlódó elemek rövid időre egyszerre csúsznak, amely nagy igénybevételt jelent a súrlódó lamelláknak. A gépkocsivezető az előválasztó karral és a gázpedállal tudja befolyásolni a fokozatkapcsolás menetét. A PRND szelektornak is nevezett kar a különböző üzemállapotokat (Parkolás=rögzített kihajtó tengely, motor indítható, Reverse=hátramenet, N=neutral, sebességfokozat nincs bekapcsolva, motor indítható, D=Drive, automata üzemmód) határozza meg a váltó számára. A gázpedál lenyomásával a felkapcsolás sebesség értéke növelhető, illetve a gázpedál ütközésig nyomásával (kick down) visszakapcsolás kényszeríthető ki. Villamos vagy elektronikus hiba esetén a folyamatosan működő diagnosztikai rendszer átállíthatja a rendszert vész üzemmódra. Ilyen esetben a váltó az előválasztó karral vezérelhető, mert a hidraulikus rendszer önállóan (villamosság nélkül) is működőképes. Bár az adaptív kapcsolás az automata váltóknál fejlődött ki, ennek gyakorlata ugyanilyen formában a DSG és bármely más automatizált kapcsolású sebességváltónál is használható.

A hibakereső és értékelő öndiagnosztika (OBD) lényeges és igen hasznos része az elektronikus hajtóművezérlésnek. A diagnosztikai rendszerek kezelésének módja az egyes gyártóknál más és más, rendszerint speciális diagnosztikai célműszert és megfelelő szoftvert igényel. A diagnosztikai rendszer kijelzi a működés hibáit, azokat tárolja és a későbbi hibaelhárításban aktívan felhasználja. A hiba kiolvasás és elhárítás a diagnosztika csatlakozóra kötött kiolvasó műszerrel történik.

A sebességváltók fejlődése az automatikus fokozatkapcsolás jelentősebb elterjedése felé irányul. A kapcsolási folyamat lényege, irányítása mindegyik váltó és járműtípusnál azonos. A számítógépes rendszerekkel irányított jármű sebességváltója könnyen képessé tehető az adaptív sebességváltó működtetésre, ami megalapozhatja az intelligens járműhajtás kifejlesztését és elterjesztését.