Gearhead 101: Capire la trasmissione automatica

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Bentornato a Riduttore 101 - una serie sulle basi di come funzionano le auto per i neofiti automobilistici là fuori.


Se hai seguito Gearhead 101, lo sai come funziona il motore di un'auto, come il motore trasferisce la potenza che genera tramite la trasmissione, e come funziona una trasmissione manuale come una sorta di quadro elettrico tra il motore e la trasmissione.

Ma la maggior parte delle persone in questi giorni (almeno se vivi negli Stati Uniti) guida le auto con automatico trasmissioni. Ti sei mai chiesto come la tua auto possa innestare la marcia appropriata senza che tu debba fare altro che premere il pedale dell'acceleratore o il freno?


Be ', tieniti il ​​sedere. Stiamo per guidarti attraverso uno dei pezzi più sorprendenti dell'ingegneria meccanica (e dei fluidi) nella storia umana: la trasmissione automatica.

(Seriamente, non sto esagerando: una volta capito come funzionano le trasmissioni automatiche, rimarrai sbalordito dal fatto che le persone siano state in grado di inventare questa cosa senza computer.)


Tempo di revisione: lo scopo di una trasmissione

Prima di entrare nei dettagli di come funziona una trasmissione automatica, esaminiamo rapidamente il motivo per cui i veicoli hanno bisogno di una trasmissione, di qualsiasi tipo, in primo luogo.



Come discusso nel nostro primer su come funziona il motore di un'auto, il motore del tuo veicolo crea potenza di rotazione. Per muovere la macchina, dobbiamo trasferire quella potenza di rotazione alle ruote. Questo è ciò che fa la trasmissione dell'auto, di cui fa parte la trasmissione.


Ma ecco il problema: un motore può girare solo entro una certa velocità per funzionare in modo efficiente. Se gira troppo basso, non saresti in grado di far muovere la macchina da ferma; se gira troppo velocemente, il motore può autodistruggersi.

Quello di cui abbiamo bisogno è un modo per moltiplicare la potenza prodotta dal motore quando serve (partendo da fermo, risalendo una collina, ecc.), Ma anche diminuire la quantità di potenza inviata dal motore quando non serve ( andando in discesa, andando molto veloce, sbattendo sui freni).


Inserisci la trasmissione.

La trasmissione assicura che il tuo motore giri a un ritmo ottimale (né troppo lento né troppo veloce) fornendo contemporaneamente alle ruote la giusta quantità di potenza di cui hanno bisogno per muoversi e fermare l'auto, indipendentemente dalla situazione in cui ti trovi. tra il motore e il resto della trasmissione e agisce come un quadro elettrico per l'auto.


In precedenza siamo entrati nei dettagli come le trasmissioni manuali realizzano questo attraverso i rapporti del cambio. Collegando tra loro ingranaggi di diverse dimensioni, è possibile aumentare la quantità di potenza che viene erogata al resto dell'auto senza modificare di tanto la velocità della potenza di rotazione del motore. Se non hai ancora compreso l'idea dei rapporti di trasmissione, Ti consiglio di guardare il video che abbiamo incluso l'ultima volta prima di andare avanti; nient'altro avrà senso se non comprendi questo concetto.

Con una trasmissione manuale, puoi controllare quali marce sono innestate premendo la frizione e spostando le marce in posizione.


Su una trasmissione automatica, l'ingegneria brillante determina quale marcia è innestata senza che tu debba fare nulla se non premere il pedale dell'acceleratore o del freno. È magia automobilistica.

Parti di una trasmissione automatica

Illustrazione del diagramma di trasmissione automatica.

Quindi, a questo punto, dovresti avere una conoscenza di base dello scopo di una trasmissione: assicura che il tuo motore giri a una velocità ottimale (né troppo lento né troppo veloce), fornendo allo stesso tempo alle tue ruote la giusta quantità di potenza per muoversi e fermare il macchina, non importa la situazione.

Diamo uno sguardo alle parti che permettono che ciò avvenga nel caso del cambio automatico:

Scatola della trasmissione

Illustrazione dell

Una scatola di trasmissione ospita tutte le parti della trasmissione. Sembra quasi una campana, quindi la sentirai spesso chiamata 'involucro di campana'. La scatola della trasmissione è tipicamente realizzata in alluminio. Oltre a proteggere tutti gli ingranaggi in movimento della trasmissione, la cassa della campana sulle auto moderne ha vari sensori che tracciano la velocità di rotazione in ingresso dal motore e la velocità di rotazione in uscita al resto dell'auto.

Convertitore di coppia

Ti sei mai chiesto perché puoi accendere il motore della tua auto, ma non lasciare che la cosa vada avanti? Bene, questo perché il flusso di potenza dal motore alla trasmissione è scollegato. Questa disconnessione consente al motore di continuare a funzionare anche se il resto della trasmissione dell'auto non riceve potenza. Su una trasmissione manuale, si scollega l'alimentazione dal motore alla trasmissione premendo la frizione.

Ma come scollegare l'alimentazione dal motore al resto della trasmissione su un cambio automatico che non ha una frizione?

Con un convertitore di coppia, ovviamente.

È qui che inizia la magia nera delle trasmissioni automatiche (non siamo ancora arrivati ​​agli ingranaggi planetari).

Il convertitore di coppia si trova tra il motore e la trasmissione. È una cosa dall'aspetto di ciambella che si trova all'interno della grande apertura della cassa della campana della trasmissione. Ha due funzioni primarie in termini di trasmissione della coppia:

  1. Trasferisce la potenza dal motore all'albero di entrata della trasmissione
  2. Moltiplica la coppia erogata dal motore

Svolge queste due funzioni grazie alla potenza idraulica fornita dal fluido di trasmissione all'interno della trasmissione.

Per capire come funziona, dobbiamo sapere come funzionano le diverse parti di un convertitore di coppia.

Parti di un convertitore di coppia

Illustrazione delle parti del convertitore di coppia per la trasmissione automatica.

Ci sono quattro parti principali di un convertitore di coppia nella maggior parte dei veicoli moderni: 1) la pompa, 2) lo statore, 3) la turbina e 4) la frizione del convertitore di coppia.

1. Pompa (detta anche girante). La pompa sembra un ventilatore. Ha un mucchio di lame che si irradiano dal suo centro. La pompa è montata direttamente sull'alloggiamento del convertitore di coppia che a sua volta è imbullonato direttamente al volano del motore. Di conseguenza, la pompa gira alla stessa velocità dell'albero motore del motore. (Dovrai ricordarlo quando esamineremo come funziona il convertitore di coppia.) La pompa 'pompa' il fluido di trasmissione verso l'esterno dal centro verso il. . .

2. Turbina. La turbina si trova all'interno dell'alloggiamento del convertitore. Come la pompa, sembra un ventilatore. La turbina si collega direttamente all'albero di ingresso della trasmissione. Non è collegato alla pompa, quindi può muoversi a una velocità diversa dalla pompa. Questo è un punto importante. Questo è ciò che consente al motore di girare a una velocità diversa rispetto al resto della trasmissione.

La turbina può girare grazie al fluido di trasmissione che viene inviato dalla pompa. Le pale della turbina sono progettate in modo tale che il fluido che riceve venga spostato verso il centro della turbina e di nuovo verso la pompa.

3. Statore (noto anche come Reattore). Lo statore si trova tra la pompa e la turbina. Sembra una pala di un ventilatore o un'elica di aereo (vedi uno schema qui?). Lo statore fa due cose: 1) invia il fluido di trasmissione dalla turbina alla pompa in modo più efficiente, e 2) moltiplica la coppia proveniente dal motore per aiutare a far muovere l'auto, ma poi invia meno coppia quando l'auto sta andando bene clip.

Lo fa grazie ad un'ingegnosa ingegneria. Innanzitutto, le pale del reattore sono progettate in modo tale che quando il fluido di trasmissione che lascia la turbina colpisce le pale dello statore, il fluido viene deviato nella stessa direzione della rotazione della pompa.

In secondo luogo, lo statore è collegato a un albero fisso sulla trasmissione tramite una frizione unidirezionale. Ciò significa che lo statore può muoversi solo in una direzione. Ciò garantisce che il fluido dalla turbina sia diretto in una direzione. Lo statore inizierà a girare solo quando la velocità del fluido dalla turbina raggiunge un certo livello.

Questi due elementi di design dello statore facilitano il lavoro della pompa e generano più pressione del fluido. Questo, a sua volta, crea una coppia amplificata alla turbina e poiché la turbina è collegata alla trasmissione, più coppia può essere inviata alla trasmissione e al resto dell'auto. Whew.

4. Frizione convertitore di coppia. Grazie al funzionamento della fluidodinamica, la potenza viene persa mentre il fluido di trasmissione passa dalla pompa alla turbina. Ciò fa sì che la turbina giri a una velocità leggermente inferiore a quella della pompa. Questo non è un problema quando l'auto si avvia (in effetti quella differenza di velocità è ciò che consente alla turbina di fornire più coppia alla trasmissione), ma una volta che è in marcia, quella differenza si traduce in alcune inefficienze energetiche.

Per annullare questa perdita di energia, la maggior parte dei convertitori di coppia moderni dispone di una frizione del convertitore di coppia collegata alla turbina. Quando l'auto raggiunge una certa velocità (di solito 45-50 mph), la frizione del convertitore di coppia si innesta e fa girare la turbina alla stessa velocità della pompa. Un computer controlla quando la frizione del convertitore è innestata.

Quindi quelle sono le parti del convertitore di coppia.

Parte interna della frizione del convertitore di coppia.

Mettiamo tutto insieme e diamo un'occhiata a come sarebbe l'azione del convertitore di coppia mentre passi da un punto morto a una velocità di crociera:

Accendi la macchina ed è al minimo. La pompa gira alla stessa velocità del motore e invia il fluido di trasmissione verso la turbina, ma poiché il motore non gira molto velocemente a un punto morto, la turbina non gira così velocemente, quindi non può erogare coppia alla trasmissione.

Premi il gas. Questo fa girare il motore più velocemente, il che fa girare più velocemente la pompa del convertitore di coppia. Poiché la pompa gira più velocemente, il fluido di trasmissione si muove abbastanza velocemente dalla pompa per iniziare a far girare la turbina più velocemente. Le pale della turbina inviano il fluido allo statore. Lo statore non gira ancora perché la velocità del fluido di trasmissione non è abbastanza alta.

Ma a causa del design delle pale dello statore, quando il fluido le attraversa, devia il fluido indietro alla pompa nella stessa direzione in cui la pompa gira. Ciò consente alla pompa di riportare il fluido alla turbina a una velocità maggiore e crea una maggiore pressione del fluido. Quando il fluido torna alla turbina, lo fa con più coppia, facendo sì che la turbina fornisca più coppia alla trasmissione. L'auto inizia ad andare avanti.

Questo ciclo continua più e più volte mentre la tua auto accelera. Quando si raggiunge la velocità di crociera, il fluido di trasmissione raggiunge una pressione che fa girare le pale del reattore. Con il reattore in rotazione, la coppia viene ridotta. A questo punto, non hai bisogno di molta coppia per muovere l'auto perché l'auto si sta muovendo a un buon passo. La frizione del convertitore di coppia si innesta e fa girare la turbina alla stessa velocità della pompa e del motore.

Bene, quindi il convertitore di coppia è ciò che consente o impedisce la trasmissione della potenza dal motore alla trasmissione e ciò che moltiplica la coppia alla trasmissione per far partire l'auto da un punto morto. È ora di dare un'occhiata alle parti della trasmissione che consentono all'auto di cambiare automaticamente.

Ingranaggi planetari

Gruppo ingranaggi planetari della trasmissione automatica.

Quando il tuo veicolo raggiunge velocità più elevate, ha bisogno di meno coppia per mantenere l'auto in movimento. Le trasmissioni possono aumentare o diminuire la quantità di coppia inviata alle ruote dell'auto grazie ai rapporti del cambio. Più basso è un rapporto di trasmissione, maggiore è la coppia erogata. Maggiore è il rapporto di trasmissione, minore è la coppia erogata.

Su una trasmissione manuale, devi spostare il tuo cambio di marcia per cambiare i rapporti del cambio.

Su una trasmissione automatica, i rapporti del cambio aumentano e diminuiscono automaticamente. E questo è possibile grazie al design ingegnoso di un ingranaggio planetario.

Un ingranaggio planetario è costituito da tre componenti:

  1. Un ingranaggio solare. Si trova al centro del gruppo ingranaggi planetari.
  2. Gli ingranaggi / pignoni del pianeta e il loro vettore. Tre o quattro ingranaggi più piccoli che circondano l'ingranaggio solare e sono costantemente in presa con l'ingranaggio solare. Gli ingranaggi planetari (o pignoni) sono montati e supportati dal vettore. Ciascuno degli ingranaggi planetari gira sui propri alberi separati collegati al vettore. Gli ingranaggi del pianeta non solo ruotano, ma orbitano anche attorno all'ingranaggio solare.
  3. La corona dentata. La corona dentata è l'ingranaggio esterno e ha denti interni. La corona dentata circonda il resto del set di ingranaggi e i suoi denti sono costantemente in presa con gli ingranaggi planetari.

Un unico set di ingranaggi planetari può raggiungere la retromarcia e cinque livelli di marcia avanti. Tutto dipende da quale dei tre componenti del gruppo di ingranaggi si sta muovendo o è tenuto fermo.

Diamo un'occhiata a quello in azione con i diversi componenti che agiscono come ingranaggio di ingresso (l'ingranaggio che genera potenza), ingranaggio di uscita (l'ingranaggio che riceve potenza) o fermo.

Ingranaggio solare: ingranaggio di ingresso / Trasportatore planetario: ingranaggio di uscita / Ingranaggio ad anello: tenuto fermo

Riduzione dell

In questo scenario, l'ingranaggio solare è l'ingranaggio di ingresso. La corona dentata non si muove. Con l'ingranaggio solare in movimento e la corona dentata tenuta in posizione, gli ingranaggi planetari ruoteranno sui propri alberi portanti e cammineranno all'interno della corona dentata, ma nella direzione opposta rispetto all'ingranaggio solare. Ciò fa sì che il carrello ruoti nella stessa direzione dell'ingranaggio solare. Il vettore diventa così l'ingranaggio di uscita.

Questa configurazione crea un rapporto di trasmissione basso, il che significa che l'ingranaggio di ingresso (in questo caso, l'ingranaggio solare) gira più velocemente dell'ingranaggio di uscita (il portasatelliti). Ma la quantità di coppia che il portacellulare crea è molto più di quella fornita dall'ingranaggio solare.

Questo tipo di configurazione verrebbe utilizzato quando l'auto è appena iniziata.

Ingranaggio solare: fermo / Trasportatore planetario: ingranaggio di uscita / Ingranaggio ad anello: ingranaggio di ingresso

Vista interna di un cambio automatico.

In questo scenario, l'ingranaggio solare viene mantenuto fermo, ma la corona dentata diventa l'ingranaggio di ingresso (ovvero fornisce potenza al sistema di ingranaggi). Poiché l'ingranaggio solare è tenuto, gli ingranaggi planetari in rotazione cammineranno attorno all'ingranaggio solare e porteranno con sé il portatore del pianeta.

Il portasatelliti si muove nella stessa direzione della corona dentata ed è un ingranaggio di uscita.

Questa configurazione crea un rapporto di trasmissione leggermente superiore rispetto alla prima configurazione. Ma l'ingranaggio di ingresso (la corona dentata) gira ancora più velocemente dell'ingranaggio di uscita (il vettore planetario). Ciò si traduce nell'ingranaggio planetario che fornisce più coppia, o potenza, al resto della trasmissione. Questa configurazione sarebbe probabilmente in gioco quando la tua auto accelera da un punto morto o quando stai guidando su una collina.

Ingranaggio solare: ingranaggio di ingresso / Supporto planetario: ingranaggio di uscita / Ingranaggio ad anello: ingranaggio di ingresso

Supporto planetario di cambio automatico.

In questo scenario, sia l'ingranaggio solare che la corona dentata agiscono come ingranaggi di ingresso. Cioè, entrambi girano alla stessa velocità e nella stessa direzione. Ciò fa sì che gli ingranaggi planetari non ruotino sui loro singoli alberi. Perché? Se la corona dentata e l'ingranaggio solare sono gli elementi di ingresso, i denti interni della corona dentata cercheranno di ruotare gli ingranaggi planetari in una direzione, mentre i denti esterni dell'ingranaggio solare cercheranno di guidarli nella direzione opposta. Quindi si bloccano in posizione. L'intera unità (ingranaggio solare, supporto planetario, corona dentata) si muove insieme alla stessa velocità e trasferiscono la stessa quantità di potenza. Quando l'ingresso e l'uscita trasferiscono la stessa quantità di coppia, si parla di azionamento diretto.

Questa disposizione sarebbe in gioco quando navighi intorno a 45-50 mph.

Ingranaggio solare: fermo / Trasportatore planetario: ingranaggio di ingresso / Ingranaggio ad anello: ingranaggio di uscita

Overdrive con ingranaggio solare tenuto.

In questo scenario, l'ingranaggio solare viene mantenuto fermo e il vettore planetario diventa l'ingranaggio di ingresso che fornisce potenza al sistema di ingranaggi. La corona dentata è ora l'ingranaggio di uscita.

Mentre il portasatelliti ruota, gli ingranaggi planetari sono costretti a camminare attorno all'ingranaggio solare tenuto, che aziona la corona dentata più velocemente. Una rotazione completa del portasatelliti fa sì che la corona dentata ruoti più di una rivoluzione completa nella stessa direzione. Questo è un rapporto di trasmissione elevato e fornisce una maggiore velocità di uscita ma una coppia inferiore. Questa disposizione è nota anche come 'overdrive'.

Saresti in questa configurazione quando guidi in autostrada a 60+ mph.

Una trasmissione automatica di solito ha più di un ingranaggio planetario. Lavorano insieme per creare più rapporti di trasmissione.

Poiché le marce sono costantemente in presa in un sistema di ingranaggi planetari, i cambi di marcia vengono effettuati senza innestare o disinnestare le marce, come si fa su una trasmissione manuale.

Ma come fa una trasmissione automatica a dire quali parti del sistema di ingranaggi planetari dovrebbero agire come ingranaggio di ingresso, ingranaggio di uscita o essere mantenute ferme, in modo da poter ottenere quei rapporti di trasmissione variabili?

Con l'aiuto di fasce freno e frizioni all'interno della trasmissione.

Fasce freno e frizioni

I nastri dei freni sono realizzati in metallo rivestito con materiale di attrito organico. Le fasce dei freni possono stringersi per tenere fermo l'anello o l'ingranaggio solare o allentarsi per farli girare. Se un nastro del freno si stringe o si allenta è controllato da un sistema idraulico.

Fasce freno e dischi frizione del cambio automatico.

Una serie di frizioni si collega anche alle diverse parti di un sistema di ingranaggi planetari. Le frizioni di trasmissione nelle trasmissioni automatiche sono costituite da più dischi di attrito e metallo (motivo per cui a volte vengono denominate 'gruppo frizione multidisco'). Quando i dischi vengono premuti insieme, la frizione si innesta. Una frizione può far sì che una parte di un ingranaggio planetario diventi un ingranaggio di ingresso o potrebbe farla fermare. Dipende solo da come è collegato all'ingranaggio planetario. Il fatto che una frizione si innesti o meno è determinato da una combinazione di progettazione meccanica, idraulica ed elettrica. E tutto avviene automaticamente.

Ora la complessità di come le varie frizioni lavorano insieme per tenere e guidare diversi componenti è piuttosto complicata. Troppo complicato per descriverlo nel testo. È meglio compreso visivamente. Consiglio vivamente di guardare questo video che ti guida attraverso di esso:

Come funziona una trasmissione automatica

Come puoi vedere, ci sono molte parti mobili all'interno di una trasmissione automatica. Utilizza una combinazione di ingegneria meccanica, fluida ed elettrica per offrirti una guida fluida da un punto morto all'altro alla velocità di crociera dell'autostrada.

Esaminiamo quindi una panoramica generale del flusso di potenza in una trasmissione automatica.

Il motore invia potenza al pompa del convertitore di coppia.

La pompa invia potenza al convertitore di coppia turbina tramite fluido di trasmissione.

La turbina invia il fluido di trasmissione alla pompa tramite il statore.

Lo statore moltiplica la potenza del fluido di trasmissione, consentendo alla pompa di inviare più potenza alla turbina. All'interno del convertitore di coppia viene creata una rotazione di potenza a vortice.

La turbina è collegata ad un albero centrale che si collega alla trasmissione. Mentre la turbina gira, l'albero gira, inviando potenza alla prima set di ingranaggi planetari della trasmissione.

A seconda di quale frizione a dischi multipli o fascia freno è innestato nella trasmissione, la potenza del convertitore di coppia causerà il attrezzatura solare, il vettore planetario, o il Corona dentata del sistema di ingranaggi planetari per muoversi o rimanere fermo.

A seconda di quali parti del sistema di ingranaggi planetari si muovono o meno, determina il Rapporto di cambio. Qualunque sia la disposizione dell'ingranaggio planetario (ingranaggio solare che funge da input, portante planetario che funge da uscita, corona dentata ferma - vedi sopra) determinerà la quantità di potenza che la trasmissione invia al resto del treno di trasmissione.

Questo, in generale, è il modo in cui funziona una trasmissione automatica. Ci sono sensori e valvole che regolano e modificano le cose, ma questa è l'essenza di base.

È qualcosa che è più facile da capire visivamente. Consiglio vivamente di guardare il seguente video. Il background che abbiamo esaminato renderà molto più facile la comprensione:

Cosa ti avevo detto? La trasmissione automatica è davvero incredibile.

Ora, mentre senti la macchina cambiare marcia mentre percorri l'autostrada, avrai una buona idea di cosa sta succedendo sotto il cofano.