FIZIKALNO MODELIRANJE MENJALNIKA Z DVOJNO SKLOPKO · Vsak menjalnik v veliki meri sestavljajo valjasti zobniki, ki pa glede na določeno prestavo tvorijo valjaste zobniške dvojice

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Nebojša ILIĆ

FIZIKALNO MODELIRANJE MENJALNIKA ZDVOJNO SKLOPKO

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, september 2012

Fakulteta za strojništvo

FIZIKALNO MODELIRANJE MENJALNIKA ZDVOJNO SKLOPKO

Diplomsko delo

Študent(ka): Nebojša ILIĆ

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: izr. prof. dr. Bojan Dolšak

Somentorica: asist. dr. Urška Sancin

Maribor, september 2012

- II -

Vložen original sklepa o

potrjeni temi diplomskega dela

- III -

I Z J A V A

Podpisani Nebojša ILIĆ izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.

dr. Bojana Dolšaka in somentorstvom dr. Urške Sancin ;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 3.9.2012 Podpis: ___________________________

- IV -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Bojanu Dolšaku

in somentorici dr. Urški Sancin za pomoč in vodenje

pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

- V -

FIZIKALNO MODELIRANJE MENJALNIKA Z DVOJNO SKLOPKO

Ključne besede: transmisija, menjalnik, dvojna sklopka, prenosna gred, odgonska gred,

zobniška dvojica, zobnik s poševnim ozobjem, sinhron, torna lamela

UDK: 621.83.069.2(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu je predstavljena najsodobnejša rešitev hitrega spreminjanja prestavnega

razmerja, in sicer menjalnik z dvojno sklopko. Podana je zgodovina razvoja in opisane so vse

različice tega tipa menjalnika. Za bolje razumevanje celotne tematike, je v diplomskem delu

podrobno razloženo delovanje navadnega ročnega menjalnika, na katerem menjalnik z

dvojno sklopko temelji. Podani so fizikalni principi delovanja zobniške dvojice ter torne

sklopke. Opisan je celoten potek pretikanja z dvojno sklopko. V zaključku so navedene še

prednosti in slabosti, ki jih vožnja s takim menjalnikom prinaša.

- VI -

PHYSICAL MODELLING OF DUAL CLUTCH TRANSMISSION

Key words: transmission, gearbox, dual clutch, lay shaft, drive shaft, gear pair, helical gear,

collar, friction plate

UDK: 621.83.069.2(043.2)

ABSTRACT

In this graduation work the most innovative solution of quick gear changing, so called dual-

clutch transmission, is presented. The history of its development is given and all variations of

this type of gearbox are described. For the better understanding of the entire topic, a detailed

explanation of the ordinary manual transmission, on which dual-clutch transmission is based,

is elaborated. The physical principles of gear and friction clutch are given. The entire

procedure of shifting with the dual clutch is described. The conclusion consists of the

advantages and disadvantages of the driving with a dual clutch transmission.

- VII -

KAZALO

1 UVOD............................................................................................... 11.1 Opis splošnega področja diplomskega dela....................................................................1

1.2 Opredelitev diplomskega dela ........................................................................................2

2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE............... 32.1 Zgodovina.......................................................................................................................3

2.2 Proizvajalci .....................................................................................................................4

2.3 Tipi menjalnika z dvojno sklopko ..................................................................................4

3 TERORETIČNE OSNOVE NAVADNEGA MENJALNIKA................ 63.1 Pregled sestave transmisije.............................................................................................6

3.2 Delovanje menjalnika .....................................................................................................8

3.3 Zobniško gonilo............................................................................................................12

3.4 Torna sklopka ...............................................................................................................19

4 MENJALNIK Z DVOJNO SKLOPKO..............................................234.1 Funkcijska struktura .....................................................................................................23

4.2 Oblika menjalnika z dvojno sklopko............................................................................24

4.3 Delovanje mehanizma dvojne sklopke .........................................................................26

4.4 Pretikanje pri menjalniku z dvojno sklopko .................................................................28

5 ANALIZA IN PRIMERJAVA............................................................305.1 Prednosti .......................................................................................................................30

5.2 Slabosti .........................................................................................................................30

5.3 Uporaba drugih fizikalnih principov pri dvojni sklopki...............................................31

5.4 Konkurenčni tipi menjalnikov......................................................................................31

6 SKLEP ............................................................................................33

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ......................................................34

- VIII -

KAZALO SLIK

Slika 2.1 Volkswagen Golf R32 (serija IV) ...............................................................................3

Slika 2.2 Prečni DSG..................................................................................................................5

Slika 2.3 Vzdolžni DSG .............................................................................................................5

Slika 3.1 Sestavni deli transmisije..............................................................................................7

Slika 3.2 Sestavni deli menjalnika..............................................................................................8

Slika 3.3 Delovanje sinhrona......................................................................................................9

Slika 3.4 Shema menjalnika s petimi prestavami .....................................................................10

Slika 3.5 Pretikanje med prestavami ........................................................................................12

Slika 3.6 Ubiranje zobniške dvojice .........................................................................................13

Slika 3.7 Shema zobniške dvojice ............................................................................................15

Slika 3.8 Zobniška dvojica s poševnim ozobjem .....................................................................16

Slika 3.9 Prikaz sil na zobu zobnika s poševnim ozobjem.......................................................18

Slika 3.10 Osnovna funkcija sklopke .......................................................................................20

Slika 3.11 Dvolamelna torna sklopka.......................................................................................21

Slika 3.12 Sile pri delovanju sklopke .......................................................................................22

Slika 4.1 Funkcijska struktura ..................................................................................................23

Slika 4.2 Povezava dvojne sklopke s prenosnima gredema .....................................................24

Slika 4.3 Shema menjalnika z dvojno sklopko.........................................................................25

Slika 4.4 Dvojna sklopka..........................................................................................................26

Slika 4.5 Delovanje dvojne sklopke .........................................................................................27

Slika 4.6 Pretikanje med 2. in 3. prestavo pri DCT menjalniku...............................................29

- IX -

UPORABLJENI SIMBOLI

T1 - vrtilni moment vstopne gredi

T2 - vrtilni moment izstopne gredi

n1 - vrtilna frekvenca vstopne gredi

n2 - vrtilna frekvenca izstopne gredi

z1 - število zob pastorka

z2 - število zob zobnika

i - prestavno razmerje

ωgon - kotna hitrost gonilne gredi

ωgna - kotna hitrost gnane gredi

u - ozobno razmerje

v - obodna hitrost

dw1 - premer kinematičnega kroga pastorka

dw2 - premer kinematičnega kroga zobnika

m - zobniški modul

d - premer razdelnega kroga

P - nazivna moč

Fn - normalna sila

Ft - tangencialna sila

Fr - radialna sila

Fa - aksialna sila

µ - koeficient trenja

Ftr - torna sila

R - srednji polmer tornega diska

T - torni moment

- X -

UPORABLJENE KRATICE

DCT - Dual-Clutch Transmission

CVT - Continuously Variable Transmission

DSG - Direct-Shift Gearbox

RPM - Revoutions per Minute

N - Neutral

D - Drive

R - Reverse

P - Parking

S - Sport

ECU - Electronic Control Unit

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Današnji proizvajalci avtomobilov se venomer trudijo izboljšati delovanje, varnost, udobje in

učinkovitost svojih vozil. Skoraj vsi avtomobili imajo ključne komponente, od katerih je

odvisna učinkovitost delovanja vozila. Pospeški, udobje in ekonomičnost avtomobila niso

odvisni le od motorja, ampak tudi od prenosa moči od motorja do pogonskih koles. Ena

ključnih komponent pri prenosu moči je menjalnik.

Glavna naloga menjalnika, razen prenosa moči je ta, da spreminja prestavno razmerje.

Spreminjanje prestavnega razmerja je nujno potrebno, saj motor avtomobila deluje v ozkem

območju vrtilnih hitrosti, medtem ko se vrtilne hitrosti koles zelo spreminjajo. Pri

spreminjanju razlik med vrtilnimi hitrostmi motorja in koles, se posledično spreminjajo

razlike med vrtilnimi hitrostmi vstopne (motorne) in izstopne (kardanske) gredi menjalnika.

Z menjavanjem med prestavami ubiramo zobniške pare, ki transformirajo na izstopno

gred in posledično na kolesa želene vrtilne hitrosti oziroma vrtilni moment. S prestavljanjem

v primerne prestave želimo tudi ohranjati motor v najbolj učinkovitem območju vrtilnih

hitrosti, saj s tem zvišujemo izkoristek in življenjsko dobo vozila ter zmanjšujemo hrup.

Med spreminjanjem prestav s sklopko razdvojimo tekoči motor od preostale transmisije

avtomobila. V tem času motor ne dovaja moč do pogonskih koles, zato ta čas pomeni izgube

pri pospeševanju avtomobila ter tudi izgube pri porabi goriva, saj se motor vrti v prazno. Da

bi bili pospeški in tudi izkoristki čim večji, se mora pretikanje med prestavami zgoditi v čim

krajšem času. Zato inženirji iščejo konstrukcijske rešitve, ki bi to omogočale. Ena takšnih

rešitev je menjalnik z dvema sklopkama.

Menjalnik z dvema sklopkama ali DCT (angl.: Dual-Clutch Transmission) ne le znatno

pohitri pretikanje med prestavami, temveč tudi omogoča mirnejšo vožnjo, gladko pretikanje

navzgor in navzdol ter manjšo obrabo lamel. Takšen menjalnik se dandanes uporablja

izključno v avtomobilih z avtomatskim, oziroma sekvenčnim pretikanjem. Na trgu so tudi

drugačne rešitve menjalnikov, ki izboljšujejo izkoristke avtomobilov. Med nje spadajo

variabilni menjalniki CVT (Continuously Variable Transmission), lažji elektrohidravlični


- 2 -

menjalniki ipd., ki neposredno konkurirajo menjalniku z dvema sklopkama, pri čemer se je

slednji do zdaj izkazal za najhitrejšega ter najučinkovitejšega.

1.2 Opredelitev diplomskega dela

Glavni cilj diplomske naloge je podrobno preučiti menjalnik z dvojno sklopko. V ta namen se

je potrebno seznaniti z delovanjem navadnega menjalnika in podrobno analizirati delovanje

mehanizma torne sklopke v avtomobilu.

Vsak menjalnik v veliki meri sestavljajo valjasti zobniki, ki pa glede na določeno

prestavo tvorijo valjaste zobniške dvojice. Zato so v diplomi predstavljene tudi osnove

kinematike zobniških dvojic, oblike zobnikov s poševnim ozobjem ter preračun sil ter

momentov na samem zobniku. Ker je menjalnik z dvojno sklopko izključno avtomatski,

oziroma lahko menjamo prestave ročno s sekvenčnim pretikanjem, se je tudi potrebno

seznaniti z delovanjem avtomatskih, ali tako imenovanih sekvenčnih menjalnikov.

Ko so dodobra preučene vse ključne komponente in procesi delovanja navadnega

avtomobilskega menjalnika, se lahko lotimo temeljite analize delovanja mehanizma dvojne

sklopke. V diplomskem delu so navedeni tudi posebni materiali, ki se uporabljajo za

izgradnjo dvolamelne torne sklopke. Nato lahko primerjamo navaden menjalnik ter menjalnik

z dvojno sklopko in podamo vse prednosti in slabosti, s katerimi se ta sodoben menjalnik

odlikuje. Tako pridemo do rezultatov, ki potrjujejo, da ima avtomobil s tem menjalnikom

hitrejše pospeške, manjšo porabo in udobnejšo vožnjo.


- 3 -

2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE

2.1 Zgodovina

Tip transmisije z dvojno sklopko je izumil francoski vojni inženir Adolphe Kégresse tik pred

začetkom druge svetovne vojne, ampak ga nikoli ni uveljavil v praktično uporabo. Preboj na

področju transmisije z dvojno sklopko se je zgodil šele v osemdesetih letih prejšnjega stoletja,

ko je napredna računalniška elektronika, ki je kontrolirala menjalnik, postala dovolj majhna,

da so jo lahko vgradili v avtomobil. Prvi, ki so razvili menjalnik z dvojno sklopko, so bili pri

Porscheju in izum poimenovali »Doppelkupplungsgetriebe«. Porsche je tehnologijo

uporabljal le v dirkalnih avtomobilih za dirke LeMans (Porsche 956 in 962), Audi kot

Porschejev partner, pa je tak menjalnik vgrajeval v svoj Rally dirkalnik Audi Sport Quattro

S1, s katerim je dosegal velike uspehe [1].

Prvi serijsko proizvedeni cestni avtomobil, ki je imel vgrajen menjalnik z dvojno

sklopko, je bil Volkswagen Golf IV R32 (slika 2.1). Od takrat dalje se je število

Volkswagnovih modelov z vgrajenim DCT povečevalo in do 2009 je bil koncern Volkswagen

Group skoraj edini proizvajalec takšnih avtomobilov. Do danes so skoraj vsi večji proizvajalci

dali v ponudbo avtomobile z opcijo DCT, zato se je delež na trgu že enakomerno porazdelil.

Slika 2.1 Volkswagen Golf R32 (serija IV)


- 4 -

2.2 Proizvajalci

BorgWarner Inc. je trenutno največji proizvajalec in dobavitelj dvojnih sklopk. To ameriško

podjetje razvija tako sklopke kot tudi elektro-hidravlične kontrolne mehanizme in elektroniko

za opravljanje le teh. S svojo tehnologijo, ki so jo poimenovali »DualTronic« so med

vodilnimi na svetu. Po dogovoru s Volkswagnom so slednji izdelali prvi komercialni

avtomobil z dvojno sklopko. Ob izredno pomembnem partnerstvu s Volkswagen Group,

sodelujejo še s številnimi kitajskimi podjetji, kamor izvozijo največ svojih produktov.

Getrag je največji proizvajalec avtomobilskih ročnih menjalnikov, vendar se zadnja leta

prebija v ospredje tudi na področju proizvodnje DCT menjalnikov. Znani so predvsem po

svojem zelo učinkovitem in uspešnem menjalniku s sedmimi prestavami. Getrag, ki ima sedež

podjetja v Nemčiji, je od leta 2001 v lasti Ford Motor Company. V dogovoru so z mnogimi

največjimi proizvajalci avtomobilov, ki jim dostavljajo svoje menjalnike. Med avtomobilska

podjetja, ki vgrajujejo Getragove menjalnike v nekatere svoje modele, se ob Fordu pojavljajo

še Mercedes, BMW, Volvo, Chrysler, Mitsubishi ter Ferrari.

Med bolj znanimi proizvajalci je še nekaj manjših podjetij, ki dostavljajo svoje produkte

za razne modele avtomobilov različnih proizvajalcev. Eden med njimi je italijanski Graziano,

ki se je specializiral v razvoj menjalnikov za športne avtomobile kot so Maserati, Aston

Martin in McLaren. Podjetje LuK Clutch Systems je razvilo suho dvojno sklopko za sedem-

stopenjski menjalnik DSG (angl.: Direct-Shift Gearbox), ki se bo v prihodnosti vgrajeval v

Volkswagnove majhne avtomobile z majhnim navorom motorja. Nekatera večja podjetja, kot

so Toyota, Honda in Hyundai, pa tudi sama razvijajo tehnologijo transmisije z dvojno sklopko

in bodo na trgu predstavila avtomobile s to tehnologijo v prihodnjih letih [1].

2.3 Tipi menjalnika z dvojno sklopko

Pri transmisiji z dvojno sklopko obstajata dva osnovna tipa delovanja sklopke [1]. Prvi in bolj

razširjen tip je mokra večlamelna sklopka (mokra zato, ker je potopljena v olje zaradi

ohlajanja). Ta se uporablja v vozilih z močnejšimi motorji, se pravi z motorji, ki proizvedejo

več navora. Drugi tip je suha enolamelna sklopka, ki se uporablja za avtomobilske motorje, ki

imajo šibkejši izdatek navora. Ta tip transmisije se posledično najde v manjših avtih, saj

doprinese k manjši porabi in naredi vožnjo varčnejšo.


- 5 -

Pri namestitvi dvojne sklopke poznamo tri variante [1]. Prvi in splošno uporabljan tip

namestitve ima koncentrično postavitev, kjer sta obe sklopki v isti ravnini gledano pravokotno

na pogonsko gred ter vzdolž iste linije kot motorna ročična gred. Drugi tip namestitve ima dve

suhi sklopki postavljeni eno za drugo gledano pravokotno na pogonsko gred ter stojita enako

kot pri prvem tipu vzdolž motorne ročične gredi. Tretji in zadnji tip namestitve ima dve

ločeni, vendar enako veliki sklopki, ki sta postavljeni ena zraven druge gledano vzporedno na

pogonsko gred ter sta v isti ravnini gledano pravokotno.

Poznamo še dve različni obliki menjalnika, v katerih se uporablja dvojna sklopka [2].

Ena oblika menjalnika se uporablja pri avtomobilih s sprednjim pogonom, ki imajo prečno

postavitev motorja (slika 2.2). Ta oblika je veliko bolj pogosta, saj je delež avtov na sprednji

pogon večji. Druga oblika pa se uporablja pri avtomobilih s pogonom na zadnji kolesni par, ki

imajo vzdolžno postavitev motorja (slika 2.3).

Slika 2.2 Prečni DSG

Slika 2.3 Vzdolžni DSG


- 6 -

3 TERORETIČNE OSNOVE NAVADNEGA MENJALNIKA

3.1 Pregled sestave transmisije

Zakaj potrebujemo menjalnik v avtomobilu? Splošno znano je, da se poganjanje vozila prične

pri motorju z notranjim zgorevanjem. Bati v motorju ženejo ročično gred, ki se posledično

zavrti. Vrti se z določeno frekvenco, kar v vsakdanji rabi imenujemo obrati na minuto,

oziroma RPM (angl.: Revolutions per Minute). Zaradi fizikalnih zakonitosti motorja z

notranjim zgorevanjem je teh obratov na minuto lahko od nekje 800 pri mirovanju vozila in

vse tja do nekje 7500 pri večjih obremenitvah motorja. Ob tem motor neenakomerno

zagotavlja navor in moč po celotnem območju obratov, kjer je maksimum navora nekje na

sredini območja obratov, največja moč pa pri maksimalnem številu obratov na minuto, ki ga

motor še zmore.

Zaradi prevelikih in preveč spremenljivih hitrosti ne moremo kar povezati pogonske

gredi s pogonskimi kolesi. Namesto tega moramo zmanjšati obrate pogonske gredi na

uporabno vrednost. To dosežemo z mehaničnim procesom, ki uporablja sovpadajoče zobnike.

To funkcijo opravlja menjalnik. Pravzaprav celoten sklop, ki opravlja prenos moči od motorja

pa do pogonskih koles, imenujemo transmisija (slika 3.1). Menjalnik je le najbolj ključen

sestavni del tega sklopa, ki zraven slednjega vsebuje še sklopko ter diferencialno gonilo.

Moč motorja pri celotni transmisiji se prenaša najprej po gnani ročični gredi do

vztrajnika, kateri je običajno sestavni del sklopke. Vztrajnik pritiska na lamelno ploščo, na

katero pa z druge strani pritiska še pritisna plošča, ki je nasajena na izstopno gred sklopke.

Med ploščami se ustvarja trenje, ki omogoči prenos vrtilnega momenta iz ene gredi na drugo.

Izstopna gred sklopke je hkrati tudi vstopna gred menjalnika. Potek moči se nato v

menjalniku prenaša skozi različne zobniške pare in izstopi z določenim vrtilnim momentom

na izstopni gredi menjalnika, ki je hkrati odgonska gred. Ta povezuje menjalnik z

diferencialom, ki razporeja moč na polosi.


- 7 -

Slika 3.1 Sestavni deli transmisije

Sam menjalnik ima svoje ohišje, ki je pritrjeno v celoten sklop transmisije. V tem ohišju

je do določenega nivoja olje, ki ima nalogo mazanja (slika 3.2). Osnovni namen mazanja je

zmanjševanje trenja na površinah zob zobnikov in posledično zmanjševanje obrabe in

pregrevanja menjalnika. V osnovnem menjalniku so tri gredi, in sicer vstopna, prenosna ter

izstopna gred. Na izstopni, oziroma odgonski gredi, ki leži v isti liniji kot vstopna gred, so

postavljeni zobniki, med njimi pa sinhroni (za dve prestavi skupaj po en sinhron). Sinhron je

posebno oblikovan obroč, ki je zadolžen za zaklepanje izbranega zobnika na odgonsko gred.

Zobniki na odgonski gredi se prosto vrtijo, dokler ni eden izmed njih preko sinhrona

zaklenjen na odgonsko gred. Vsak sinhron je preko menjalne vilice povezan s svojo menjalno

osjo, po kateri se premakne v eno od dveh smeri, kadar s prestavno ročico izberemo želeno

prestavo.

V običajnem menjalniku prenos moči poteka iz vstopne gredi preko zobniške dvojice

stalne stopnje na prenosno gred, na kateri so razporejeni zobniki. Vsak od teh zobnikov tvori z

nasprotnim zobnikom na izstopni gredi stalno zobniško dvojico. Teh zobniških parov je

toliko, koliko ima menjalnik prestav. Od izbrane zobniške dvojice gre prenos moči preko

zobate zveze na sinhron, na katerem je majhna stožčasta sklopka. Ta omogoči sinhronizacijo

vrtilnih hitrosti zobnika ter sinhrona, da lahko zobata gred na sinhronu in zobati pesto na

zobniku sovpadeta skupaj. Tako se potek moči prenese iz izbrane zobniške dvojice na

odgonsko gred, ki izstopi iz ohišja menjalnika.


- 8 -

Slika 3.2 Sestavni deli menjalnika

3.2 Delovanje menjalnika

Delovanje in pa sama sestava menjalnika sta odvisna predvsem od števila prestav. Menjalnik

omogoča toliko prestav, kolikor ima zobniških dvojic. Njegov namen pa je, da med temi

zobniškimi pari lahko poljubno pretikamo ter tako izberemo želeno prestavno razmerje med

obrati motorja in vrtilno hitrostjo koles.

Kot že vemo, se moč motorja do menjalnika prenese na pogonski gredi, ki je hkrati

vstopna gred menjalnika. Že v samem menjalniku se na koncu te gredi vrtilni moment najprej

prenese na prenosno gred preko dveh zobnikov konstantne stopnje. Zobniki na prenosni gredi

so nepremično vpeti, zato se vedno vsi vrtijo hkrati z gredjo. Vzporedna in nasproti ležeča

prenosni gredi je odgonska gred. Ta ima na sebi prav toliko zobnikov kot prenosna gred. Vsak

zobnik na prenosni gredi poganja nasprotno ležeči zobnik na odgonski gredi z zaporednim

ubiranjem zob. Tako vsak zobnik na prenosni gredi tvori z zobnikom na odgonski gredi stalno

zobniško dvojico. Zobniki na odgonski gredi pa so prosto vrteči in se ne vrtijo hkrati z gredjo,

vse dokler s sinhronom enega od teh zobnikov ne zaklenemo na odgonsko gred.


- 9 -

Da bi bilo pretikanje med prestavami gladko, oziroma v določenih primerih sploh

možno, potrebujemo posebno oblikovane sinhrone. Kot smo že navedli v prejšnjem poglavju,

ti sinhroni imajo več pomembnih delov (slika 3.3). Vsak sinhron ima na obeh straneh po

obodu ustrezno oblikovano ozobje, ki se prilega notranjemu ozobju na ven pomaknjenemu

delu zobnika. Ker pa se sinhron in zobnik pri pretikanju vrtita z različnimi hitrostmi, se

zunanje ozobje na sinhronu in notranje ozobje na strani zobnika ne moreta mirno vključiti.

Tako bi se slišalo glasno rožljanje, če bi zobje udarjali eni ob druge. S tem razlogom imajo vsi

moderni avtomobili na sinhronu in na zobniku, ki ta sinhron zaklepa, nekakšno majhno

stožčasto sklopko. Na samem vznožju zobnika je stožčasto oblikovan del, ki je pomaknjen

ven pod določenim kotom. Tudi na samem vznožju sinhrona je stožčasto oblikovan del, ki pa

je pomaknjen navznoter pod takim kotom, da se povsem prilega stožcu na zobniku. Ta del je

ločen od sinhrona s posebnim vležajenjem in je običajno iz medenine. Med pomikanjem

sinhrona proti zobniku, se hitrosti zobnika in sinhrona s pomočjo trenja na stožčastima

površinama uskladita. Ko se sinhronizacija hitrosti zaključi, sinhron zdrsne preko

medeninastega dela zaradi posebno oblikovanega vležajenja. Tako se lahko zunanji in notranji

zobniki ujamejo in vzpostavi se nezdrsna zveza, saj ne deluje s pomočjo trenja kot navadna

sklopka. Ta proces tudi odpravi potrebo po dvojnem stiskanju sklopke.

Slika 3.3 Delovanje sinhrona


- 10 -

Kot je bilo že omenjeno, sta postavitev komponent in sam mehanizem menjalnika zelo

odvisna od števila možnih prestav [4]. Dandanes je v avtomobilih najbolj pogost ročni

menjalnik s petimi prestavami (slika 3.4), zato bo v tem diplomskem delu pretikanje med

prestavami razloženo prav na menjalniku tega tipa. Čeprav se menjalnik z dvojno sklopko

pojavlja le v obliki s šestimi ali več prestavami, je za razumevanje procesa samega pretikanja

povsem zadostna razlaga pretikanja na navadnem menjalniku s poljubnim številom možnih

prestav.

Slika 3.4 Shema menjalnika s petimi prestavami

Proces pretikanja pri avtomobilu z navadnim ročnim menjalnikom upravlja človek sam.

Z nogo kontrolira odvajanje in ujemanje sklopke, z roko pa premika prestavno ročico v

določene smeri. Ta prestavna ročica je povezana z do tremi menjalnimi vilicami, ki drsijo

naprej in nazaj vsaka po svoji menjalni osi. Prestavno ročico lahko pomikamo v levo in desno

ter naprej in nazaj. Kadar jo premikamo levo in desno izbiramo različne menjalne vilice.

Vsaka od menjalnih vilic je povezana s svojim sinhronom. Če pa premikamo prestavno ročico

naprej in nazaj, pa izbrano menjalno vilico premikamo naprej in nazaj po menjalni osi. S tem

tudi premikamo izbran sinhron naprej in nazaj od enega do drugega zobnika.

Kot smo že omenili, izbiro med prestavami kontrolira voznik. Če je prestavna ročica na

sredinski poziciji, potem so tudi vsi sinhroni na sredinski poziciji. Tako se noben sinhron ne


- 11 -

ujema z zobnikom, zato ni nobenega zobniškega para spojenega z odgonsko gredjo,

posledično pa se pretok moči ne prenaša na odgonsko gred. V tem stanju rečemo, da je avto v

prostem teku (slika 3.5). Tako se vsi zobniški pari prosto vrtijo, vendar le v primeru, da

sklopka ni pritisnjena, saj se s tem tudi prekine vrtenje vstopne gredi.

Če želimo prestaviti v prvo prestavo, potem moramo najprej stisniti sklopko, da

oddvojimo transmisijo od motorja. Nato premaknemo prestavno ročico v levo. S tem smo

izbrali skrajno desno menjalno vilico. Ta je povezana s sinhronom, ki leži med zobnikoma za

prvo in drugo prestavo. Sinhron ima po sredini majhen utor, v katerega se prilega končni del

menjalne vilice. Ko smo izbrali želeno menjalno vilico, potem porinemo menjalno ročico

naprej. Tako se menjalna vilica premakne nazaj in s tem se tudi določen sinhron premakne

nazaj k zobniku za prvo prestavo (slika 3.5). Po končanju sinhronizacije hitrosti vrtenja med

sinhronom in zobnikom, kar se zgodi v relativno kratkem času, se zobata zveza med

sinhronom in zobnikom stakne. Tako se gnani zobnik zobniške dvojice za prvo prestavo

zaklene na odgonsko gred. Nato s postopnim spuščanjem sklopke povežemo motor z ostalo

transmisijo in avtomobil lahko spelje.

Prestavljanje v drugo prestavo poteka podobno. V prvi prestavi je avtomobil že v

gibanju. Ker želimo zmanjšati vrtilno frekvenco motorja, izberemo zobniški par z manjšim

prestavnim razmerjem. To dosežemo s prestavitvijo v višjo prestavo (v tem primeru v drugo

prestavo). Za pretikanje v drugo prestavo se uporablja isti sinhron kot za prvo prestavo, zato

je menjalna vilica, ki je povezana na ta sinhron, že izbrana, kadar je menjalna ročica v

pozicija za prvo prestavo. Tako moramo menjalno ročico poriniti samo navzdol, da se

menjalna vilica in skupaj z njo sinhron premakneta naprej. To seveda zopet opravimo med

tem, ko je sklopka oddvojena. Cel postopek se ponovi in po končanem prestavljanju imamo

izbrano zobniško dvojico za drugo prestavo (slika 3.5). Prestavljanje v tretjo prestavo, četrto

prestavo itd. se ponovi po enakem postopku, ki je bil opisan do zdaj. Ker je razlika le pri

izbiri smeri v katere prestavimo menjalno ročico, bomo postopke za pretikanje v nadaljnje

prestave izpustili.

Vzvratna prestava se nekoliko razlikuje od drugih prestav. Med zobniško dvojico za

vzvratno prestavo se nahaja še en majhen zobnik, ki spremeni smer vrtenja zobnika na

odgonski gredi in s tem smer vrtenja gredi same. Starejši menjalniki (menjalniki s štirimi

prestavami) za vzvratno prestavo nimajo sinhrona, ampak je menjalna vilica sama naslonjena

ob bok tega tretjega majhnega zobnika za vratno prestavo. Ko želimo prestaviti v vzvratno

prestavo, mora avtomobil mirovati, da se lahko ta majhen zobnik uspešno vključi med


- 12 -

zobniško dvojico (slika 3.5). Tako se lahko avtomobil vzvratno pelje s samo enim prestavnim

razmerjem. Menjalniki s šestimi ali več prestavami imajo drugačne konstrukcijske rešitve za

vzvratno prestavo. Ker imajo menjalniki z dvojno sklopko šest ali več prestav, sta sama

postavitev zobnikov in mehanizem pretikanja nekoliko spremenjena. Pri DSG menjalnikih je

problem rešen z vgradnjo še ene gredi, na kateri je samo vmesni zobnik za vzvratno prestavo.

Slika 3.5 Pretikanje med prestavami

3.3 Zobniško gonilo

Ključni elementi v menjalniku so od nekdaj bili zobniki sami. Menjalnik ni nič drugega, kot

zelo zapleteno večstopenjsko zobniško gonilo. Dandanes se noben proizvajalec avtomobilov

več toliko ne posveča samemu konstruiranju zobnikov, saj je to področje že temeljito

raziskano do dovršenosti, tako da ni več veliko prostora za konstrukcijske izboljšave. Vendar

se je vseeno dobro seznaniti s snovanjem in delovanjem zobniškega gonila. Če se proizvajalci

v samem snovanju menjalnika ne bi držali do sedaj raziskanih dejstev v proizvodnji zobnikov,

bi delovanje menjalnika bilo znatno slabše in njegova doba trajanja bi bila precej krajša.


- 13 -

Zobnik je po definiciji ozobčeno kolo, ki služi za prenos vrtenja na drug zobnik tako, da

ozobje enega zobnika zaporedno ubirajo z zobmi drugega zobnika. Pojem zobniška dvojica pa

pomeni mehanizem dveh zobnikov, ki sta pri stalni medsebojni legi vrtljiva okrog svojih osi,

tako da en poganja drugega (slika 3.6).

Slika 3.6 Ubiranje zobniške dvojice

Zobniška gonila spadajo med mehanska gonila z enakomernim prenosom vrtilnega

gibanja z gonilne gredi pogonskega stroja (v primeru avtomobila je to motor z notranjim

zgorevanjem) na gnano gred delovnega stroja (v primeru avtomobila je to preostanek

pogonskega sklopa od menjalnika pa do pogonskih koles). Njihova osnovna funkcija je

prilagoditev vrtilnega momenta T1 in vrtilne frekvence n1 pogonskega stroja zahtevanemu

vrtilnemu momentu T2 in vrtilni frekvenci n2 delovnega stroja. Zobniška gonila so sestavljena

iz ene (enostopenjska gonila) ali več (večstopenjska gonila) zobniških dvojic, ki so lahko

različno oblikovane. Zobniška dvojica je sestavljena iz dveh zobnikov, ki se pri obratovanju

vrtita v nasprotni smeri (eden sourno in drugi protiurno). Pri valjastih zobniških dvojicah

imenujemo manjši zobnik tudi pastorek, večji pa zobnik. Po dogovoru označimo število zob

pastorka z1, število zob zobnika pa z2.

Več literature o samih zobniških gonilih najdemo v knjigi Prenosniki moči [3]. Tukaj je

razloženo vse od osnov gonil, različnih vrst zobniških gonil, pa do obratovanja gonil.

Navedena in razložena so tudi bolj kompleksna gonila, ki pridejo v poštev pri tej tematiki.


- 14 -

3.3.1 Osnove kinematike zobniških dvojic

Prestavno razmerje zobniške dvojice je definirano kot razmerje kotnih hitrosti ali vrtilnih

frekvenc gonilne in gnane gredi zobniške dvojice (slika 3.7):

= = (3.1)

i – prestavno razmerje

ωgon, ωgna [s-1] – kotna hitrost gonilne in gnane gredi

ngon, ngna [min-1] – vrtilna frekvenca gonilne in gnane gredi

Relacija med kotno hitrostjo in vrtilno frekvenco je podana z naslednjim izrazom:

ω = ∙ (3.2)

Ozobno razmerje je definirano kot razmerje števila zob zobnika (večjega zobnika) in pastorka

(manjšega zobnika):

= (3.3)

u – ozobno razmerje

z1 – število zob pastorka

z2 – število zob zobnika


- 15 -

Slika 3.7 Shema zobniške dvojice

Pri enakomernem prenosu vrtilnega gibanja z gredi pastorka na gred zobnika ali obratno

morata biti obodni hitrosti kinematičnih valjev enaki (v1 = v2). Ob upoštevanju, da je:

= ∙ ω (3.4)

Potem velja zveza, da je pri enakomernem prenosu vrtilnega gibanja z gredi pastorka na gred

zobnika (slika 3.7):

= = (3.5)

ω1, ω2 [s-1] – kotna hitrost pastorka in zobnika

dw1, dw2 [mm] – premer kinematičnega kroga pastorka in zobnika

i – prestavno razmerje

Tukaj moramo še omeniti en pomemben parameter zobnika in sicer modul m. To je

število, na katerega se nanašajo izdelovalna orodja oziroma pripomočki za kontrolo merilnih

veličin zobnikov. Moduli so standardizirani po SIST ISO 54 [5]. Pastorek in zobnik, ki

sestavljata zobniško dvojico, morata imeti enak modul.


- 16 -

= (3.6)

z – število zob

d [mm] – premer razdelnega kroga

m [mm] – modul

Več o sami kinematiki zobniških dvojic, predvsem pa o snovanju ozobja najdemo v

knjigi Zobniška gonila [6] od strani 5 pa do strani 16. Tukaj so podani osnovni zakoni ozobij,

razloženo je ubiranje aktivnih zob in narisane so oblike bočnic z evolventnim ozobjem.

3.3.2 Valjaste zobniške dvojice s poševnim ozobjem

Valjaste zobniške dvojice spadajo v družino valjastih zobniških dvojic, zato se bomo najprej

seznanili s slednjimi. Pri vseh valjastih zobniških dvojicah sta osi obeh zobnikov vzporedni.

V splošnem ločimo zunanje in notranje valjaste zobniške dvojice z ravnim, poševnim,

dvojnim poševnim in puščičastim ozobjem. Valjaste zobnike s poševnim ozobjem imenujemo

tudi »poševnozobi valjasti zobniki« (slika 3.8).

V vseh menjalnikih, ki so vgrajeni v komercialne avtomobile, se uporabljajo skoraj

izključno zunanje valjaste zobniške dvojice s poševnim ozobjem. Ta tip zobniških dvojic ima

pozitivne lastnosti, kot so miren tek ter tiho delovanje, kar je posledica postopnega ubiranja

posameznih parov zob in s tem ugodnih razmer pri ubiranju obeh zobnikov. Prav tako imajo

večjo nosilnost kot zobniške dvojice z ravnim ozobjem. Vendar zaradi dodatnih aksialnih sil,

ki so posledica poševnosti zob, zahtevajo uporabo »močnejših« in posledično dražjih ležajev.

Slika 3.8 Zobniška dvojica s poševnim ozobjem


- 17 -

Pri poševnozobih valjastih zobnikih imajo bočne slednice obliko vijačnice, ki se vije po

razdelnem valju z določenim kotom vzpona. Pri zunanjih zobniških dvojicah tega tipa morata

imeti pastorek in zobnik enako velik ter nasprotno usmerjen kot poševnosti zob. Za določitev

smeri kota poševnosti zob (desna ali leva) velja enako pravilo kot pri vijakih. Desna smer zob

ustreza desni, leva smer zob pa levi vijačnici. Pri izbiri ustreznega kota poševnosti je treba

upoštevati, da pomeni večji kot bolj enakomeren tek zobniške dvojice in posledično manjši

hrup, vendar hkrati tudi večje aksialne sile. Pri izbiri upoštevamo priporočljive vrednosti, ki

so določene po standardu DIN 3978 [5].

3.3.3 Sile na valjasti zobniški dvojici

Sile na zobniški dvojici se nanašajo na nazivno moč P oziroma nazivni vrtilni moment na

gredi pastorka T1. Pri preračunu nosilnosti valjastih zobniških dvojic upoštevamo še dodatne

obremenitve z ustreznimi vplivnimi koeficienti, vendar jih bomo tukaj izpustili.

= = ∙∙ (3.7)

T1 [Nm] – imenski vrtilni moment na gredi pastorka

P [W] – nazivna moč

ω1 [s-1] – kotna hitrost pastorka

n1 [min-1] – vrtilna frekvenca pastorka

Pri določitvi sil na zobniški dvojici izhajamo iz normalne sile na zobni bok Fn, ki deluje v

kinematični točki C (v sredini kinematičnega valja s premerom dw) in jo lahko prostorsko

razstavimo na naslednje sile (slika 3.9):

obodno silo Ft, ki deluje tangencialno na kinematični valj;

radialno silo Fr, ki deluje radialno proti središču zobnika;

aksialno silo Fa, ki deluje vzdolž osi zobnika.

Če deluje na pastorek obodna sila Ft1, radialna sila Fr1 in aksialna sila Fa1, delujejo na zobnik

enako velike, toda nasprotno usmerjene sile (Ft2 = –Ft1, Fr2 = –Fr1, Fa1 = –Fa1).


- 18 -

Slika 3.9 Prikaz sil na zobu zobnika s poševnim ozobjem

Obodno silo na pastorku Ft1 določimo iz vrtilnega momenta na gredi pastorka T1 po

enačbi, ki se glasi:

= ∙ ∙ = − (3.8)

Ft1, Ft2 [N] – obodna sila na pastorku in zobniku

T1 [Nm] – vrtilni moment na gredi pastorka

dw1 [mm] – premer kinematičnega kroga pastorka

Radialni (Fr1, Fr2) in aksialni (Fa1, Fa2) sili na pastorku in zobniku določimo po naslednji

enačbi:

= ∙ tan α = − (3.9)= ∙ tan α = − (3.10)

Fr1, Fr2 [N] – radialna sila na pastorku in zobniku

Fa1, Fa2 [N] – aksialna sila na pastorku in zobniku

αwt [°] – vpadni kot radialnega profila na kinematičnem krogu

βw [°] – kot poševnosti zob na kinematičnem krogu


- 19 -

Pri določitvi smeri posameznih sil na zobniški dvojici upoštevamo naslednja pravila:

obodna sila Ft deluje pri gonilnem zobniku v nasprotni smeri njegovega vrtenja, pri

gnanem zobniku pa v smeri njegovega vrtenja;

radialna sila Fr deluje vedno proti središču zobnika;

smer delovanja aksialne sile Fa je odvisna od smeri vrtenja obravnavanega zobnika ter

smeri kota poševnosti zob.

Ko poznamo vse sile na zobniški dvojici in s tem napetostno stanje, lahko izračunamo

nosilnosti valjastih zobniških dvojic. Pri dimenzioniranju valjastih zobniških dvojic je

pomembno, da je nosilnost le teh takšna, da zagotavlja zahtevano funkcionalnost (prenos

vrtilnega moment gibanja in vrtilnega momenta) ter vnaprej predvideno dobo trajanja

zobniškega gonila. Več podatkov o sami nosilnosti zobniških parov je dostopno na straneh od

126 do 193 v knjigi Zobniška gonila [6]. Tukaj je temeljito predstavljeno snovanje valjastih

zobniških dvojic glede na nosilnost in kakšne poškodbe nastanejo na zobnikih, če se teh načel

ne držimo.

3.4 Torna sklopka

Ime sklopka je nastalo iz čisto preprostega razloga, ker sklopka določeno stvar sklopi oziroma

trdno spoji. Natančna definicija sklopke pa se glasi, da je sklopka naprava, ki omogoči sklop

ene vrteče gredi z drugo [7]. Gredi, ki ju sklopka spaja, se običajno vrtita z isto vrtilno

frekvenco. Obstajajo pa tudi posebne sklopke, ki omogoča neenakomerno vrtenje dveh

spojenih gredi. Potreba po sklopki se je v avtomobilski industriji pojavila predvsem zaradi

značilnosti motorja z notranjim zgorevanjem, ki pri nižjih vrtilnih frekvencah porabi vso moč

zgolj zato, da se ohranja vrtenje motorja in se ta ne ugasne.

Glavna funkcija sklopke je, da razdvoji tekoči motor od preostale transmisije

avtomobila (slika 3.10). V prostem teku motor z notranjim zgorevanjem ni sposoben razviti

dovolj vrtilnega momenta, s katerim bi poganjal neko vozilo. Vrtilna frekvenca motorja mora

narasti na približno 1200 obratov na minuto, šele nato lahko sklopka postopoma spoji motor s

transmisijo vozila, kar povzroči, da se avtomobil lahko premakne. Torna sklopka spočetka

prenaša moment tako, da podrsava. Z naraščanjem trenja je podrsavanja vedno manj. Ko pa

sklopka povsem sklopi gredi, podrsavanje oziroma drsenje čisto preneha. Hitrost vozila, pri

kateri sklopka več ne drsi, je odvisna od prestave transmisije. Šele, ko je ta hitrost vozila

presežena, sklopka preneha drseti.


- 20 -

Še ena pomembna naloga sklopke je, da omogoča mirovanje vozila, čeprav se motor

tega vozila vrti. Prav tako dandanašnje sklopke zagotavljajo mehko oziroma nesunkovito

speljevanje avtomobila iz mirujočega stanja do določene hitrosti. Sklopka omogoča

prestavljanje menjalnika v različne prestave med samim gibanjem avtomobila.

Slika 3.10 Osnovna funkcija sklopke

Sodobne torne sklopke imajo več kot samo eno torno lamelo, zato se jim tudi reče

večlamelne sklopka. V DCT menjalnikih so prav tako dve večlamelni sklopki, zatorej bomo v

tem poglavju preučili obliko in delovanje dvolamelne sklopke. Običajno je sklopka

sestavljena iz večih plošč, ki so postavljene ena za drugo (slika 3.11). Prva plošča z leve proti

desni je navadno del vztrajnika, druga plošča pa je že prva od lamel, ki je z obeh strani

prevlečena s torno oblogo. Nato pride za prvo lamelo še druga identična torna lamela, vendar

je med njima še ločevalna plošča, da torni lameli strugata po tej plošči in ne med seboj. Na

koncu celotnega sklopa sklopke je še pritisna plošča, ki je običajno narejena iz litega železa

oziroma sive litine. Pritisna plošča je nasajena na vstopno gred menjalnika in ima nalogo da

pritiska na torne lamele.

Med vsemi ploščami, ki se v procesu vzpostavljanja kontakta postopoma stikajo, se

ustvarja trenje, ki v principu omogoči prenos torzijskega momenta iz ene gredi na drugo. Pri

tornem stiku med diski, ki se vrtijo okoli iste osi, se seveda nikoli ne zgodi, da bi med temi

telesi zmanjkalo kontaktne površine. Torna sila, ki se ustvari med medsebojno drsečimi

površinami, potegne za seboj preko gnanih plošč izstopno gred sklopke, ki je hkrati vstopna


- 21 -

gred menjalnika. Če vzmeti pritiskajo z večjo silo, potem med drsnimi ploščami nastane večji

oprijem, torna sila je zatorej večja in tako se preko sklopke lahko prenaša večji vrtilni

moment.

Slika 3.11 Dvolamelna torna sklopka

Osnovni princip delovanja torne sklopke je prenašanje gibanja na osnovi izkoriščanja

trenja. Razmerje med velikostjo torne sile Ftr in normalno silo Fn (slika 3.12) je poznano kot

torni koeficient oziroma koeficient trenja μ:

µ = (3.11)

Torni moment je produkt torne sile Ftr in srednjega polmera tornega diska R:

= ∙ (3.12)


- 22 -

Ob upoštevanju enačb (3.11) in (3.12) lahko izračunamo potrebno skupno pritisno silo vzmeti

oziroma normalno obremenitev na pritisni plošči:

= ∙ (3.13)

T [Nm] – torni moment, ki ga prenaša sklopka

R [m] – srednji polmer tornega diska

µ – koeficient trenja

Fn [N] – normalna sila oziroma pritisna sila vseh vzmeti

Slika 3.12 Sile pri delovanju sklopke


- 23 -

4 MENJALNIK Z DVOJNO SKLOPKO

4.1 Funkcijska struktura

Na sliki 4.1 je prikazana funkcijska struktura za menjalnik z dvojno sklopko. Glavna funkcija

sistema je hitro spreminjanje prestavnega razmerja. Na vstopni gredi v menjalnik pride vrtilni

moment in vrtilna hitrost motorja, ki ju moramo z menjalnikom čim hitreje spremeniti v

želeno vrtilno hitrost in vrtilni moment.

Slika 4.1 Funkcijska struktura


- 24 -

4.2 Oblika menjalnika z dvojno sklopko

Delovanje menjalnika z dvojno sklopko temelji na delovanju navadnega ročnega menjalnika,

ki je opisan v poglavju 3.2. Komponente v menjalniku z dvojno sklopko so enake kot pri

navadnem menjalniku, le da je število in postavitev le teh nekoliko spremenjena. Celotna

transmisija, ki vsebuje menjalnik z dvojno sklopko, deluje po enakem principu, le da je

mehanizem delovanja malo prilagojen.

Najprej si bomo ogledali spremembo oblike DCT menjalnika [8]. Pogonska gred

motorja je pritrjena na začetno stran dvojne sklopke. Slednja ima najbolj pogosto obliko

koncentrično ležečih posameznih sklopk. Pravokotno gledano na gred sta obe sklopki

približno v isti ravnini, s tem da večja tvori zunanji obroč, manjša pa tvori notranji obroč.

Vsaka od teh sklopk ima po več lamel in svoj pritisni obroč. Ta pritisna obroča nista pritrjena

na vstopno gred menjalnika, kot pri navadni transmisiji, ampak je potek moči od sklopk do

gredi izpeljan na drugačen način.

Menjalnik z dvojno sklopko ima dve vstopni gredi, ki ležita koncentrično in si delita

isto os. Zunanja vstopna gred je votla, zato je notranja vstopna gred lahko postavljena znotraj

zunanje gredi. Zunanja gred je spojena z notranjo sklopko, notranja gred pa je spojena z

zunanjo sklopko (slika 4.1). Tako potek vrtilnega momenta gre na tisto gred, katera je spojena

s sklopljeno sklopko.

Slika 4.2 Povezava dvojne sklopke s prenosnima gredema


- 25 -

Zunanja in notranja vstopna gred imata na sebi nepremično pritrjene zobnike, ki so del

zobniških dvojic za vse prestave. Tako sta tudi obe te gredi hkrati prenosni gredi menjalnika,

zato bomo v nadaljevanju uporabljali izraza zunanja in notranja prenosna gred. Vsaka od teh

gredi ima na sebi določeno število zobnikov. Na zunanji prenosni gredi so zobniki za drugo,

četrto, šesto ter vzvratno prestavo, na notranji prenosni gredi pa so zobniki za prvo, tretjo in

peto prestavo (slika 4.2). Zakaj so na eni gredi zobniki za vsako drugo prestavo, bomo bolje

spoznali pri razlagi pretikanja menjalnika z dvojno sklopko (poglavje 4.4).

Še ena pomembna razlika pri menjalnikih z dvojno sklopko je, da ima kar dve odgonski

gredi. Ti sta seveda postavljeni vzporedno s prenosnima gredema in sta odmaknjeni ena od

druge pod določenim kotom. Na teh dveh gredeh so zobniki, ki sestavljajo z nasprotno

ležečimi zobniki na prenosnima gredema zobniške dvojice. Ti zobniki se, enako kot pri

navadnem menjalniku, prosto vrtijo, dokler niso zaklenjeni s sinhroni na eno od odgonskih

gredi. Ena odgonska gred ima zobnike nanizane po določenem vrsten redu, in sicer najprej za

drugo ter tretjo prestavo in nato za četrto ter prvo prestavo. Medtem pa se pri drugi odgonski

gredi vrstni red začne z zobnikom za vzvratno in šesto prestavo in se konča s peto prestavo

(slika 4.2). Zakaj je točno takšen vrstni red zobnikov na odgonskih gredeh, bomo razložili pri

delovanju menjalnika z dvojno sklopko (sklopka 4.4).

Slika 4.3 Shema menjalnika z dvojno sklopko


- 26 -

Na obeh odgonskih gredeh so seveda tudi sinhroni. DCT menjalnik ima 4, in sicer so

trije obojesmerni, en pa zaklepa le zobnik zobniške dvojice za peto prestavo ter ima zaradi

tega zobato zvezo samo na eni strani. Rešitev vzvratne prestave je pri DCT menjalniku rešena

tako, da ima dodatni zobnik za vzvratno prestavo kar svojo lastno gred. Ta zobnik je

normalno vključen med zobnikom za vzvratno prestavo na zunanji prenosni gredi in

zobnikom za vzvratno prestavo na odgonski gredi. Vrtilni moment poteka iz obeh odgonskih

gredi na izhodno gred menjalnika preko konstantnega zobnika, ki je obema gredema skupen.

To pomeni, da je na koncu vsake odgonske gredi zobnik, ki je vključen z zobnikom na

izhodni gredi. Prav tako je na ta zobnik hkrati vključen zobnik z druge odgonske gredi. Tako

se vsi trije zobniki vrtijo z enako obodno hitrostjo, saj je polovica menjalnika vedno prosto

vrteča.

4.3 Delovanje mehanizma dvojne sklopke

Fizikalni princip pri dvojni torni sklopki je povsem enak kot pri navadni torni sklopki. Se

pravi tudi tu s pomočjo trenja prenašamo vrtilni moment iz ene gredi na drugo. Tudi sam

način sklepanja je enak. Sestava samih tornih lamel v dvojni sklopki je precej podobna

navadnim tornim lamelam. Sam mehanizem oziroma delovanje dvojne sklopke, pa se pri

določenih stvareh precej razlikuje od delovanja navadne sklopke.

Slika 4.4 Dvojna sklopka


- 27 -

Oblika dvojne sklopke je precej drugačna od oblike običajne torne sklopke (slika 4.3).

Kot smo že v prejšnjem poglavju omenili ima vsaka sklopka po več tornih lamel in svojo

pritisno ploščo. Longitudinalni DSG menjalnik (slika 2.3) ima na zunanji sklopki kar 10

lamel, na notranji pa kar 12 lamel. Na skupek lamel zunanje sklopke pritiska pritisna plošča s

pomočjo membranaste vzmeti. Na skupek lamel notranje sklopke pa pritiska pritisna plošča s

pomočjo navadne spiralaste vzmeti. Pri DCT menjalnikih opravlja pritiskanje na sklopki

elektro-hidravlični sistem, ki je voden z napredno elektroniko. Ko se ta elektronska enota

odloči sklopiti na primer notranjo sklopko, se v istem trenutku odklopi zunanja sklopka ter

obratno. Kadar imamo vklopljeno notranjo sklopko, potem prenos moči poteka preko posebne

povezave na zunanjo vstopno gred menjalnika. Kadar pa imamo vklopljeno zunanjo sklopko,

se prenos moči sprosti na notranjo gred (slika 4.4).

Slika 4.5 Delovanje dvojne sklopke

Dvojni sklopki v sodobnih DCT menjalnikih rečemo tudi mokra sklopka, saj se v ohišju

sklopke nahaja olje. Ta zmanjšuje trenje in tako preprečuje pregrevanje. Tehnologijo suhe

dvojne sklopke uporabljajo le nekateri manjši avtomobili, kot so Volkswagen Polo.


- 28 -

4.4 Pretikanje pri menjalniku z dvojno sklopko

Vsi DCT menjalniki so načeloma avtomatski z opcijo sekvenčnega pretikanja. Pri takem tipu

menjalnika se prestavna ročica premika le naprej in nazaj med izbranimi načini delovanja. Od

začetka do konca so te opcije označene z P, R, N in D. V načinu N (angl.: Neutral) je

avtomobil v prostem teku. Način D (angl.: Drive) je za normalno vožnjo, način R (angl.:

Reverse) pa je namenjen za vzvratno vožnjo. V način P (angl.: Parking) prestavimo, kadar

vozilo želimo ugasniti. Nekateri avtomobili še imajo dodatni način S (angl.: Sport), kateri

omogoča pretikanje pri višjih obratih, kar naredi vožnjo športnejšo.

Začetek vožnje z DCT menjalnikom [8] pričnemo v N načinu. Takrat so obe sklopki

odklopljeni in motor se vrti v prazno (prosti tek). V tem načinu sta že zaklenjena sinhrona na

zobnikih za prvo in vzvratno prestavo, ker menjalnik še ne ve, ali bo voznik zapeljal naprej ali

nazaj. Zobniški dvojici za prvo in vzvratno prestavo sta povezani na različni prenosni gredi in

s tem na različni sklopki. Če prestavimo menjalno ročico v D, bo menjalnik vklopil tisto

sklopko, ki je povezana s prenosno gredjo, na kateri je zobnik za prvo prestavo. Sedaj je

avtomobil že v prvi prestavi in tako lahko speljemo le s stiskom na plin. Sinhron, ki je bil

zaklenjen z zobnikom za vzvratno vožnjo, se odmakne. Takoj za tem pa se že zaklene sinhron

z zobnikom za drugo prestavo, čeprav se še vedno vozimo v prvi prestavi.

Prednost tega menjalnika se pokaže pri delovanju med samo vožnjo. Recimo na primer,

da se vozimo s hitrostjo 20 km/h v drugi prestavi in želimo pospešiti do 50 km/h. Kadar je

avtomobil v drugi prestavi, je vklopljena notranja sklopka. Tako je motor povezan z zunanjo

gredjo (slika 4.5). Slednja vrti poševnozobo zobniško dvojico, ki je preko že zaklenjenega

sinhrona povezana z eno od odgonskima gredema. V istem času je drug sinhron na isti

odgonski gredi že zaklenjen z zobnikom za tretjo prestavo. Ker je zunanja sklopka

odklopljena, se notranja prenosna gred prosto vrti. V trenutku, ko se kontrolna elektronika ali

ECU (angl.: Electronic Control Unit) odloči prestaviti v višjo prestavo, se vklopi zunanja

sklopka in ob istem trenutku se izklopi notranja sklopka. Tako je sedaj notranja gred gnana od

motorja (slika 4.5). Ker je bila zobniška dvojica za tretjo prestavo že zaklenjena na odgonsko

gred, praktično ni nobene zamude pri pretikanju. Pretikanje je tako rekoč takojšnje, saj se

zgodi samo v osmih milisekundah. Enkrat, ko smo v tretji prestavi, se sedaj zunanja prenosna

gred prosto vrti in menjalna vilica že porine izbran sinhron, da se vklopi z zobnikom za četrto

prestavo. Tako se ves postopek ponovi za vso pretikanje navzgor do šeste prestave.


- 29 -

Slika 4.6 Pretikanje med 2. in 3. prestavo pri DCT menjalniku

Pretikanje v nižjo prestavo je podobno pretikanju v višjo prestavo, le da se dogaja v

obratnem vrstnem redu in je precej počasnejše. Menjalnik potrebuje več kot pol sekunde

(okoli 600 milisekund), da prestavi v nižjo prestavo. To je več, kot običajno potrebuje spreten

voznik. Ta proces je zamuden zaradi tega, ker mora ECU prilagoditi obrate motorja, dokler se

hitrost motorne ročične gredi in hitrost odgonske gredi ne ujemata.

Če avtomobil med vožnjo želimo nenadno silovito pospešiti, stisnemo stopalko za plin

do konca in tako vklopimo tako imenovano funkcijo »kick-down«. Pri tem ECU enota zazna s

kakšno hitrostjo se vozimo in preračuna, katera bi bila primerna prestava za najbolj optimalno

pospeševanje. Tako se lahko zgodi, da menjalnik prestavi nekaj prestav nižje. Če se na primer

vozimo v peti prestavi in želimo sunkovito pospešiti, potem DCT menjalnik potrebuje

nekoliko več časa, da prestavi nazaj v tretjo ali celo v drugo prestavo. Pri vožnji v peti

prestavi je namreč na drugo sklopko že vnaprej povezan zobniški par za šesto prestavo. Tako

se pretikanje iz pete v tretjo prestavo zgodi po podobnem postopku, kot je pri navadnem

menjalniku, saj sta ti dve prestavi obe povezani na isto sklopko. Še nekoliko več časa

potrebujemo, če se ECU odloči prestaviti iz pete v drugo prestavo. V takem primeru se morata

odklopiti obe sklopki, saj sta zobniška para za peto in drugo prestavo povezana z različnima

sklopkama. Ves proces traja nekoliko več časa, kot bi pričakovali.


- 30 -

5 ANALIZA IN PRIMERJAVA

5.1 Prednosti

Tip transmisije z dvojno sklopko ima kar nekaj ključnih prednosti pred navadnim tipom

transmisije [2]. V smislu same zmogljivosti in učinkovitosti avtomobila ima DCT menjalnik

veliko boljše lastnosti kot navaden menjalnik. Prednosti, ki naredijo ta menjalnik

najnaprednejši v današnji avtomobilski industriji, so naslednje:

bolj ekonomična vožnja kot pri avtomobilih z navadnim menjalnikom (tudi do 15%

manjša poraba goriva v primerjavi z običajnim avtomatskim menjalnikom);

ni izgube prenosa navora motorja na pogonska kolesa med pretikanjem v različne

prestave;

instantno pretikanje v prestavo, ki je bila vnaprej izbrana na drugi odgonski gredi (le

osem milisekund);

zelo gladko prestavljanje in s tem udobnejša vožnja.

5.2 Slabosti

Čeprav sprva ne zgleda tako, ima menjalnik z dvojno sklopko tudi kar nekaj pomanjkljivosti

[2]. Največ problemov se pokaže pri pretikanju v nižje prestave. Kupcem pa predstavljata

težavo tudi večja cena in višji stroški vzdrževanja avtomobila z DCT menjalnikom. Slabosti

tega tip menjalnika so naslednje:

doseganje želenega pospeška ali vzpenjanja na hrib v nižjih obratih brez aktiviranja

kick-down funkcije s stopalko za plin;

malo slabši mehanski izkoristek kot pri navadnem ročnem menjalniku, zlasti pri

izvedbah z mokro dvojno sklopko;

draga specialna olja s posebnimi dodatki, ki so potrebna redne menjave;

relativno draga proizvodnja in s tem večja cena novega vozila;

razmeroma dolgotrajno pretikanje v prestavno razmerje, ki je ECU enota ni predvidela

(tudi do 1100 milisekund, odvisno od dane situacije);


- 31 -

omejitve zmogljivosti prenosa vrtilnega momenta omejuje poprodajno povečevanje

moči motorja oziroma »navitje« motorja;

večja masa kot pri primerljivih ročnih menjalnikih (75kg v primerjavi z 47kg)

zahtevna in zelo zapletena elektronika, ki se je v zgodnjih modelih pokazala za zelo

nepredvidljivo.

5.3 Uporaba drugih fizikalnih principov pri dvojni sklopki

Kako bi skonstruirali dvojno sklopko, da bi uporabili drugačne fizikalne principe za prenos

vrtilnega momenta? Ker se za prenos vrtilnega momenta v navadni sklopki uporablja trenje

med tornimi lamelami in drugimi ploščami, se po določenem obratovalnem času te lamele

zbrusijo. Tako sklopka čez čas nima več enakih lastnosti in lahko se zgodi, da pri velikih

obremenitvah motorja sklopka začne drseti. Poglejmo nekaj drugačnih fizikalnih principov, s

katerimi bi lahko sklopka opravljala svojo funkcijo.

Elektromagnetna sklopka je sklopka, ki uporablja princip elektromagnetne sile za

delovanje same sklopke. Ko je potrebno sklopko sklopiti, steče električni tok skozi

elektromagnet, ki proizvede magnetno polje. Rotacijski del sklopke postane namagneten in

tako vzpostavi magnetno zanko, ki začne privlačiti navitje. To navitje je tako potegnjeno na

rotirajoči del. Pri stiku se ustvari torna sila, ki poskrbi, da se hitrost vrtenja rotacijskega dela

in izhodnega dela sklopke izenači.

Centrifugalna sklopka je sklopka, ki uporablja princip centrifugalne sile za vklapljanje

in izklapljanje sklopke. V bobnu sklopke je kolut s centrifugalnimi utežmi. Prenos vrtilnega

momenta omogoči torna sila, ki se ustvari takrat, ko se uteži zaradi centrifugalne sile

(posledica pogona motorja) pomaknejo navzven in pritisnejo ob steno bobna. Ko je sila dovolj

velika, se sklopka spoji in začne prenašati vrtilni moment.

5.4 Konkurenčni tipi menjalnikov

Na trgu so že avtomobili, ki ponujajo tudi drugačne rešitve napredne transmisije.

Avtomobilska industrija vsako leto ponuja naprednejša avtomobile in z njimi učinkovitejše

menjalnike. Proizvajalci avtomobilov si prizadevajo, da bi kupcem ponudili varčnejše in

učinkovitejše avtomobile. Tako je naloga sodobnih menjalnikov, da podajajo najprimernejše

prestavno razmerje na najhitrejši način in s tem tudi na najbolj varčen način. Do danes se je na


- 32 -

področju menjalnikov pojavilo kar nekaj učinkovitih rešitev, ki jih bomo na hitro opisali v

tem poglavju.

CVT menjalnik [1] je menjalnik, ki omogoča neprekinjeno spreminjanje skozi

neskončno število učinkovitih prestavnih razmerij med maksimalno ter minimalno vrednostjo.

To je v nasprotju z delovanjem drugih mehanskih menjalnikov, kateri ponujajo določeno

število prestavnih razmerij. Prilagodljivost brezstopenjskega menjalnika omogoča, da gonilna

gred vzdržuje konstantno obodno hitrost v območju poljubnih izhodnih hitrosti. To lahko

zagotovi boljšo ekonomičnost porabe goriva v primerjavi z drugimi menjalniki, saj omogoča

delovanje motorja v najbolj učinkovitem območju obratov za različne hitrosti vozila. Slaba

lastnost tega tipa menjalnika je, da se uporabniki s težavo navajajo na njegovo delovanje, saj

se pri pospeševanju vozila ne sliši značilno povečevanje vrtljajev motorja. Zato so DCT

menjalniki, kljub slabši ekonomičnosti, bolje sprejeti med kupci, saj daje bolj značilen

občutek pri vožnji.

Električna transmisija [1] se pojavlja le v novejših hibridih, ki imajo motor z

notranjim izgorevanjem in elektromotor vezana zaporedno. Primer takšnega hibrida je novi

Chevrolet Volt in njegova sestrska izvedba Opel Ampera. Ta tip transmisije povezuje motor z

notranjim zgorevanjem na električni generator. Ta spreminja mehansko energijo iz motorja v

električno energijo, katera nato poganja električni motor. Ta spremeni električno energijo

zopet nazaj v mehansko. Elektronski sistemi kontrolirajo hitrost vozila in nastavljajo navor.

Prednost te transmisije je, da omogoča vožnjo z zelo majhno porabo goriva, vendar se zaradi

svoje zajetnosti (električni generator in elektromotor dodata precej mase) vgrajuje le v

hibride, ki v vsakem primeru posedujejo električni motor.


- 33 -

6 SKLEP

V današnjih časih se avtomobilske korporacije trudijo dobiti čim večji tržni delež s prodajo

svojih produktov. Tako morajo biti avtomobili, ki jih ponujajo, v samem tehnološkem vrhu.

Še nikoli prej ni bilo toliko tehnološkega napredka v avtomobilski industriji, kot ga je danes.

Uspešen razvoj je tudi opazen na področju avtomobilskih menjalnikov.

Menjalnik je ena ključnih komponent avtomobila. Od njegovega delovanja so odvisni

način vožnje, zmogljivost vozila ter udobnost vožnje. Hitrost pretikanja v višje prestave ima

pomembno vlogo pri porabi goriva, saj se vsa energija motorja v času, ko je ta ločen od

transmisije s sklopko, izgubi. Hitrost pretikanja ima tudi velik vpliv pri pospeških avtomobila,

saj v času, ko je motor ločen s sklopko, vozilo ne pospešuje. Vse te probleme se trudijo

inženirji rešiti z novimi tehnologijami menjalnikov.

Menjalnik z dvojno sklopko je velik korak naprej v tehnologiji menjalnikov. Slednji

vpliva zelo dobro na zmogljivost in učinkovitost vozila. Vožnja s takšnim menjalnikom je

dokazano varčnejša, zato jih vgrajujejo tudi v manjše avtomobile z zelo nizko porabo goriva.

Vsi testi do zdaj so pokazali, da so avtomobili opremljeni z DCT menjalnikom potrebovali

nekaj desetink manj za pospešek iz mesta pa do 100 km/h, kot so ga potrebovali z navadnim

menjalnikom. Zato menim, da bo prišel čas, ko bomo videvali vedno več avtomobilov s

takšnim menjalnikom.

Pri pisanju diplomske naloge se je moje znanje o avtomobilskih menjalnikih razširilo.

Sedaj mi je samo delovanje ročnega menjalnika veliko bolj razumljivo. Ko se vozim v

avtomobilu, gledam na ves proces pretikanja med prestavami iz čisto drugačne perspektive

kot poprej.

Menjalnik z dvojno sklopko se mi zdi zelo zanimiva rešitev učinkovitejšega pretikanja.

Pri pisanju te diplome sem se do potankosti naučil, kako deluje ta menjalnik. S tem sem

pridobil znanje iz zelo aktualnega področja strojništva in menim, da mi bo to znanje še

koristilo kdaj v prihodnosti.


- 34 -

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Dual-Clutch Transmission [svetovni splet]. Wikipedia. Dostopno na WWW:

http://en.wikipedia.org/wiki/Dual-clutch_transmission [30.8.2012].

[2] Direct-Shift Gearbox [svetovni splet]. Wikipedia. Dostopno na WWW:

http://en.wikipedia.org/wiki/Direct-Shift_Gearbox [30.8.2012].

[3] Flašker Jože, Pehan Stanislav. Prenosniki moči : univerzitetni učbenik. Maribor :

Fakulteta za strojništvo, 2005.

[4] How Manual Transmissions Work [svetovni splet]. HowStuffWorks. Dostopno na

WWW: http://auto.howstuffworks.com/transmission.htm [30.8.2012].

[5] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože

Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2007.

[6] Flašker Jože, Glodež Srečko, Ren Zoran. Zobniška gonila. Ljubljana : Pasadena, 2010.

[7] How Clutches Work [svetovni splet]. HowStuffWorks. Dostopno na WWW:

http://auto.howstuffworks.com/clutch.htm [30.8.2012].

[8] How Dual-Clutch Transmissions Work [svetovni splet]. HowStuffWorks. Dostopno na

WWW: http://auto.howstuffworks.com/dual-clutch-transmission.htm [30.8.2012].

Documents

FIZIKALNO MODELIRANJE MENJALNIKA Z DVOJNO SKLOPKO · Vsak menjalnik v veliki meri sestavljajo valjasti zobniki, ki pa glede na določeno prestavo tvorijo valjaste zobniške dvojice