Hydrokinetyczny konwerter momentu

Dziś tekst z zakresu techniki motoryzacyjnej. Idzie o urządzenie zwane hydrokinetycznym konwerterem momentu (hydrokinetic torque converter). Zgodnie z polską terminologią techniczną określane mianem przekładnia hydrokinetyczna. Oba terminy będę stosował we wpisie zamiennie. Jestem zdania, iż należy popularyzować polską terminologię techniczną. Uważam również, że termin przekładnia hydrokinetyczna jest stanowczo zbyt mało spopularyzowany w środowisku polskich samochodziarzy. Inne gdzieniegdzie spotykane polskie terminy na przekładnię hydrokinetyczną: hydrotransformator oraz hydrauliczna przetwornica momentu.

Autor: SMKA

Zastosowania

Hydrokinetyczny konwerter momentu to urządzenie spotykane przede wszystkim w autach z automatyczną skrzynią biegów. Innymi słowy, w aucie z typowym hydromechanicznym automatem, przekładnia hydrokinetyczna pełni podobną funkcję, jak sprzęgło główne w aucie z manualną skrzynią biegów. Ot, w aucie z ręczną skrzynią sprzęgło główne przenosi moc od silnika do skrzyni biegów. Natomiast w samochodzie z typowym automatem, przekładnia hydrokinetyczna przenosi moc od silnika do zespołu przekładni planetarnych.

Pewna istotna uwaga. Przekładnia hydrokinetyczna nie dość, że potrafi multiplikować moment obrotowy, to jeszcze umie płynnie zmieniać przełożenie. Stąd też jak mamy hydromechaniczną samochodową skrzynię biegów z czterema biegami, to przełożenie zmienia się nie tylko poprzez przełączanie owych biegów, ale również poprzez działanie przekładni hydrokinetycznej. Nadmienić należy, iż w typowym automacie zmiana biegów odbywa się poprzez unieruchamianie bądź sprzęganie ze sobą kół zębatych zespołu przekładni planetarnych. Jak wspominałem, zespół przekładni planetarnych umiejscowiony jest za przekładnią hydrokinetyczną.

W typowej hydromechanicznej automatycznej skrzyni biegów nie ma pomiędzy konwerterem a zespołem przekładni planetarnych żadnego sprzęgła ciernego umożliwiającego odłączenie konwertera od zespołu przekładni planetarnych. Podobnie nie ma żadnego sprzęgła ciernego umożliwiającego odłączenie konwertera od silnika.

Sprzęgło hydrokinetyczne

Aby zrozumieć działanie przekładni hydrokinetycznej, dobrze jest zacząć od czegoś prostszego. Mam na myśli sprzęgło hydrokinetyczne, również zresztą stosowane w technice motoryzacyjnej (bardzo stare automatyczne skrzynie biegów). Wyobraźmy sobie dwa wentylatory. Takie zwykłe wentylatory chłodzące nas w upalne lato. Jeden wentylator jest włączony, drugi wyłączony. Pęd powietrza generowany przez włączony wentylator zaczyna oddziaływać na wentylator wyłączony. Wentylator wyłączony zaczyna się obracać pod wpływem pędu powietrza. Mniej więcej tak działa sprzęgło hydrokinetyczne, tyle że mamy ciecz hydrauliczną zamiast powietrza. Uwaga terminologiczna: w sprzęgle hydrokinetycznym wirnik napędzający to pompa, natomiast wirnik napędzany to turbina. Czyli obroty pompy generują ruch cieczy, a ciecz generuje obroty turbiny.

Sprzęgło hydrokinetyczne nie potrafi multiplikować momentu obrotowego. Czyli mniej więcej tak jak zwykłe mechaniczne sprzęgło cierne w samochodzie z manualną skrzynią biegów. Właśnie ta ułomność sprzęgła hydrokinetycznego, jest powodem, dla którego współczesne samochodowe skrzynie automatyczne wykorzystują hydrokinetyczny konwerter momentu zamiast sprzęgła hydrokinetycznego.

Działanie sprzęgła hydrokinetycznego

Jeśli samochód ma sprzęgło hydrokinetyczne w układzie napędowym, to podczas postoju pojazdu (wciśnięty hamulec i wrzucony bieg), wirnik pompy obraca się, a wirnik turbiny pozostaje nieruchomy. Można więc powiedzieć, iż ciecz w sprzęgle bezsensownie się porusza i nagrzewa. Jeśli kierowca puści pedał hamulca, wirnik turbiny zacznie się poruszać wraz z wirnikiem pompy, czyli samochód zacznie powoli jechać. Jeśli kierowca wciśnie pedał gazu, wzrosną obroty silnika, a tym samym obroty wirnika pompy. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnik pompy, będzie wzrastać również prędkość obrotowa turbiny. Wzrost prędkości obrotowej turbiny, czyli szybsze poruszanie się pojazdu.

Podczas ruszania autem ze sprzęgłem hydrokinetycznym, początkowo wirnik pompy obraca się znacznie szybciej od wirnika turbiny. Czyli mamy duży poślizg sprzęgła. Wraz z rozpędzaniem się auta, spada różnica prędkości obrotowej pomiędzy oboma wirnikami. Po pewnym czasie wirnik turbiny zaczyna poruszać się ze zbliżoną prędkością obrotową do wirnika pompy. Zbliżoną, czyli i tak mimo wszystko turbina obraca się wolniej od pompy (o około 2 – 4% wolniej). Zasadniczo im mniejszy poślizg sprzęgła hydrokinetycznego, tym mniejsze straty mocy. Maksymalna sprawność sprzęgła hydrokinetycznego to 0,96-0,98.

Podczas hamowania silnikiem, wirnik turbiny obraca się szybciej od pompy. Czyli turbina zaczyna odgrywać rolę pompy, a pompa rolę turbiny. Ogólnie rzecz biorąc, pojazdy ze sprzęgłem hydrokinetycznym w układzie napędowym, hamują silnikiem gorzej od aut z całkowicie mechanicznym układem przeniesienia napędu.

Przepływ cieczy w sprzęgle hydrokinetycznym

Ciecz we wnętrzu sprzęgła hydrokinetycznego wykonuje dwa proste ruchy: ruchy obwodowe i wirowe. Przy dużym poślizgu dominują ruchy wirowe. Im mniejszy poślizg sprzęgła, tym bardziej słabną ruchy wirowe i tym bardziej potęgują się ruchy obwodowe. Jednak nawet przy minimalnym poślizgu sprzęgła, ruchy wirowe nie zanikają całkowicie. Innymi słowy, przy małym poślizgu sprzęgła ciecz znajdująca się w nim tworzy prawie nieruchomy pierścień olejowy, obracający się wraz z wirnikami.

Zalety i wady sprzęgła hydrokinetycznego

Jeśli mamy auto ze sprzęgłem hydrokinetycznym i umieszczoną za nim ręczną skrzynią biegów, to w takim aucie można zasadniczo ruszać z każdego biegu. Ot, podczas ruszania z trzeciego biegu przyspieszenie pojazdu będzie tragiczne, ale silnik i tak nam nie zgaśnie. Warto zauważyć, iż przy braku mechanicznego połączenia pomiędzy silnikiem a kołami, występuje dobre tłumienie wszelkich drgań i wstrząsów w układzie napędowym.

Jeśli idzie o wady, zużycie paliwa auta ze sprzęgłem hydrokinetycznym jest o kilka procent większe od zużycia paliwa zbliżonego pojazdu z całkowicie mechanicznym układem przeniesienia mocy. Dodatkowo jak już wspominałem, przy sprzęgle hydrokinetycznym utrudnione jest hamowanie silnikiem.

Hydrokinetyczny konwerter momentu

Czas na właściwe danie! Czyli czas na hydrokinetyczny konwerter momentu, zwany również przekładnią hydrokinetyczną. Owo urządzenie działa podobnie jak sprzęgło hydrokinetyczne: również mamy wirnik zwany pompą i wirnik zwany turbiną. Tym razem mamy jednak kolejny wirnik, zwany kierownicą. Dzięki kierownicy przekładnia hydrokinetyczna potrafi multiplikować moment obrotowy. Innymi słowy, przy szybszych obrotach pompy względem turbiny, ta ostatnia otrzymuje większy moment obrotowy, względem momentu generowanego przez wirnik pompy.

Oprócz istnienia kierownicy, inna cecha odróżniająca przekładnię hydrokinetyczną od sprzęgła hydrokinetycznego, to kształt łopatek. Sprzęgło ma wirniki z prostymi łopatkami. Przekładnia wykorzystuje wirniki z łopatkami skośnymi.

Pewna ciekawostka. Otóż w typowej automatycznej skrzyni biegów, wirnik turbiny znajduje się bliżej silnika względem wirnika pompy. Choć to przecież wirnik pompy napędzany jest bezpośrednio przez silnik, a nie wirnik turbiny. Wirnik kierownicy umiejscowiony jest pomiędzy pompą a turbiną.

Przepływ cieczy w przekładni hydrokinetycznej

Mamy auto z włączonym silnikiem. Włączony silnik napędza wirnik pompy. Pod wpływem siły odśrodkowej, olej wypełniający łopatki wirnika pompy, zaczyna kierować się ku zewnętrzu obudowy przekładni hydrokinetycznej. Następnie olej trafia pomiędzy łopatki wirnika turbiny, skąd owe łopatki kierują go na nieruchomy wirnik kierownicy. Tutaj następuje ciekawe zjawisko. Otóż ciecz hydrauliczna kierowana jest na łopatki kierownicy w taki sposób, iż owa ciecz próbuje obrócić wirnik kierownicy w kierunku przeciwnym, względem kierunku obrotów wirnika pompy. Nie jest to jednak możliwe: wirnik kierownicy jest przecież nieruchomy. Stąd też ciecz odbija się od łopatek wirnika kierownicy, zmieniając kierunek ruchu. Dzięki owej zmianie kierunku mamy multiplikację momentu obrotowego. Jak już ciecz odbije się od łopatek kierownicy, kierowana jest na łopatki wirnik pompy, skąd trafia na wirnik turbiny (i tak w kółko).

Tak jak w sprzęgle hydrokinetycznym, mamy we wnętrzu konwertera zarówno ruchy obwodowe cieczy, jak i ruchy wirowe. Przy duża większej prędkości obrotowej wirnika pompy względem wirnika turbiny, dominują ruchy wirowe. Natomiast przy zbliżonych prędkościach obrotowych obydwu wirników, dominują ruchy obwodowe.

Multiplikacja momentu obrotowego

Przekładnia hydrokinetyczna daje największą multiplikację momentu obrotowego przy dużym poślizgu. Czyli jak ruszamy autem, kiedy to wirnik pompy obraca się z dużą prędkością obrotową, a wirnik turbiny prawie się nie obraca. To właśnie wtedy wirnik turbiny nakierowuje strumień cieczy na łopatki wirnika kierownicy, pod największym kątem. Im mniejsza różnica pomiędzy prędkością obrotową pompy a turbiny, tym mniejsza multiplikacja momentu obrotowego. Innymi słowy: im mniejszy poślizg przekładni hydrokinetycznej, tym mniejszy kąt, pod jakim strumień cieczy kierowany jest na łopatki kierownicy. Im mniejszy kąt, tym mniejsza multiplikacja momentu obrotowego. Ogólnie rzecz ujmując, wirnik kierownicy otrzymuje moment obrotowy generowany przez wirnik pompy plus moment obrotowy generowany przez kierownicę.

Wedle mojej wiedzy, w typowych samochodowych automatycznych skrzyniach biegów, hydrokinetyczny konwerter momentu może zwiększyć moment obrotowy maksymalnie o 1,8 – 2,5 raza (w zależności od modelu skrzyni).

Punkt sprzęgnięcia

Przy rozpędzonym aucie może dojść do bardzo małego poślizgu przekładni hydrokinetycznej. Mam na myśli moment zwany punktem sprzęgnięcia. Jest to poślizg tak mały, że strumień cieczy kierowany przez wirnik turbiny na kierownicę, nie uderza w łopatki kierownicy. Przy punkcie sprzęgnięcia, przekładnia hydrokinetyczna działa jak sprzęgło hydrokinetyczne, czyli nie multiplikuje momentu obrotowego. Przy punkcie sprzęgnięcia wirnik pompy nadal obraca się szybciej od wirnika turbiny, ale różnica prędkości obrotowej jest niewielka.

Jednak czasami różnica pomiędzy prędkością obrotową pompy a turbiny, może być jeszcze mniejsza niż punkt sprzęgnięcia. Przy ekstremalnie małym poślizgu, kiedy to wirnik pompy obraca się jedynie niewiele szybciej od wirnika turbiny, pojawia się niekorzystne zjawisko. Otóż strumienie cieczy kierowane przez turbinę na kierownicę, zaczynają uderzać w niewłaściwą stronę łopatek kierownicy! Przy tego typu zjawisku spada zarówno prędkość obrotowa turbiny, jak i jej moment obrotowy. Zjawisko takie może wystąpić w przekładniach hydrokinetycznych o całkowicie nieruchomej kierownicy.

Sprawność przekładni hydrokinetycznej

Klasyczna przekładnia hydrokinetyczna ma najwyższą sprawność przy konkretnym poślizgu, do którego najlepiej dostosowany jest kształt łopatek wirnika pompy, turbiny i kierownicy. Zasadniczo poślizg najwyższej sprawności to poślizg większy, względem punktu sprzęgnięcia. Innymi słowy, w klasycznym konwerterze najwyższa sprawność wcale nie występuje w momencie, kiedy to działa on jak sprzęgło hydrokinetyczne. Sprawność przy optymalnym poślizgu wynosi 0,94 – 0,96.

Stall speed

Czas na parametr określany z angielska mianem stall speed. Jest to minimalna prędkość obrotowa silnika pojazdu (a tym samym minimalna prędkość obrotowa pompy), przy której wirnik turbiny zaczyna się obracać. Przy niskiej stall speed wystarczy niewielka prędkość obrotowa wirnika pompy, aby turbina zaczęła się obracać. Takie rozwiązanie nie jest dobre z punktu widzenia osiągów, ale zapewnia wysoką sprawność. Natomiast przy wysokiej stall speed trzeba dużej prędkości obrotowej pompy, aby turbina zaczęła się obracać. Tutaj mamy na odwrót: dobre osiągi i marna sprawność.

Odwracalność przekładni hydrokinetycznej

Zasadniczo w pojeździe z przekładnią hydrokinetyczną, wirnik pompy obraca się z większą prędkością od wirnika turbiny. Istnieje jednak pewien wyjątek od reguły: hamowanie silnikiem. Podczas hamowania silnikiem wirnik turbiny obraca się z większą prędkością obrotową od wirnika pompy. Stąd też podczas hamowania silnikiem turbina działa jak pompa, a pompa działa jak turbina.

Przekładnie hydrokinetyczne dzielą się na nieodwracalne oraz odwracalne. Choć tak po prawdzie, nawet przekładnie nieodwracalne charakteryzują się niewielkim stopniem odwracalności. Przy przekładni nieodwracalnej, hamowanie silnikiem prawie że nie występuje. Inaczej jest w przekładni odwracalnej: tam podczas hamowania silnikiem turbina lepiej pełni rolę pompy (a pompa lepiej rolę turbiny). Przekładnie hydrokinetyczne stosowane w samochodach osobowych zazwyczaj są odwracalne. Warto nadmienić, iż sprzęgła hydrokinetyczne zasadniczo mają wysoki stopień odwracalności na tle przekładni hydrokinetycznych.

Trilok

Czas na rozwiązanie określane mianem Trilok. Jak wspominałem, przy ekstremalnie małym poślizgu, strumienie oleju mogą zacząć uderzać o niewłaściwą stronę łopatek kierownicy. Jest to zjawisko negatywne, prowadzące zarówno do spadku prędkości obrotowej turbiny, jak i do spadku momentu obrotowego na turbinie. Aby temu zjawisku zaradzić, wymyślono system Trilok. Czym jest system Trilok? Otóż jest to tak naprawdę sprzęgło jednokierunkowe. Dzięki owemu sprzęgłu jednokierunkowemu wirnik kierownicy nie może obracać się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów pompy i turbiny. Kierownica może jednak obracać się w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów pompy i turbiny.

Przekładnia hydrokinetyczna z systemem Trilok, podczas pracy przy dużym poślizgu działa dokładnie tak samo jak zwykła przekładnia tego typu. Ot, wirnik kierownicy pozostaje nieruchomy. Kiedy jednak dochodzi do pracy przy bardzo małym poślizgu, mniejszym niż wynosi punkt sprzęgnięcia, wirnik kierowniczy zaczyna obracać się w tym samym kierunku co wirnik pompy i turbiny. Wirnik kierownicy ma podczas obrotów prędkość równą wirnikowi turbiny. Warto nadmienić, iż drugie sprzęgło jednokierunkowe, uniemożliwia wirnikowi kierownicy obracanie się szybciej, od wirnika turbiny.

Przekładnia hydrokinetyczna z systemem Trilok ma znacznie większą sprawność od zwykłej przekładni hydrokinetycznej, podczas pracy przy poślizgu mniejszym niż wynosi punkt sprzęgnięcia. Przekładnia z systemem Trilok określana bywa mianem przekładni dwuzakresowej. Pierwszy zakres jako praca konwertera przy dużym poślizgu i nieruchomym wirniki kierownicy. Zakres drugi jako praca przekładni przy minimalnym poślizgu i obracającym się wirniku kierownicy. Jak łatwo się domyślić, przekładnia jednozakresowa to taka z całkowicie nieruchomym wirnikiem kierownicy.

Ryglowana przekładnia hydrokinetyczna

Ryglowana przekładnia hydrokinetyczna zawiera mechaniczne sprzęgło cierne, które może łączyć pompę i turbinę w niektórych sytuacjach. Innymi słowy, podczas ruszania i rozpędzania samochodu, pompa i turbin nie są połączone. Przekładnia działa wtedy tak jak zwykła przekładnia hydrokinetyczna. Natomiast podczas jazdy z jednostajną prędkością pompa i turbin zostają mechanicznie połączone. Dzięki temu wzrasta sprawność przekładni hydrokinetycznej podczas spokojnej jazdy.

Chłodzenie

Podobnie jak w sprzęgle hydrokinetycznym, tak i w konwerterze, ciecz hydrauliczna nagrzewa się podczas pracy urządzenia. Stąd też samochody z klasyczną hydromechaniczną skrzynią biegów miewają chłodnicę oleju skrzyni biegów. Zgodnie z pracą Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne, przekładnie hydrokinetyczne częściej wymagają zastosowania chłodnicy oleju względem sprzęgieł hydrokinetycznych (większe obciążenie cieplne przekładni hydrokinetycznej).

Przekładnia hydrokinetyczna czołgu Patton

Jak wspominałem, w typowym aucie osobowym maksymalna multiplikacja momentu obrotowego dokonywana przez konwerter to około 1,8 – 2,5 raza. Jednak nieco inaczej jest w amerykańskich czołgach serii Patton z okresu zimnej wojny. W wozach tego typu przekładnia hydrokinetyczna stanowiąca część układu napędowego Cross-Drive, potrafi multiplikować moment obrotowy nawet ponad 4 razy. Jak dokonano tak wielkiej multiplikacji momentu obrotowego? Otóż zastosowano dwa wirniki kierownicy, zamiast jednego wirnika.

Pod względem koncepcji układ napędowy typu Cross-Drive czołgów Patton przypomina nieco automatyczną skrzynię biegów w samochodzie. Strumień mocy najpierw przechodzi przez przekładnię hydrokinetyczną, a następnie natrafia na przekładnię planetarną z kilkoma przełożeniami. Jednak w Cross-Drive owa przekładnia planetarna ma raptem dwa przełożenia: bieg pierwszy zwany low range oraz bieg drugi zwany high range. Owe biegi można zmieniać jedynie ręcznie: stąd też Cross-Drive to z technicznego punktu widzenia przekładnia półautomatyczna. Podczas jazdy po twardym i równym podłożu można w zasadzie używać jedynie biegu drugiego (high range): nawet ruszenie pojazdem nie stanowi problemu. Ergo, podczas jazdy w łatwym terenie, sama multiplikacja momentu obrotowego dokonywana przez konwerter jest wystarczająca, aby uzyskać zadowalającą dynamikę.

Nadmienię, iż choć przekładnia planetarna pełniąca w Cross-Drive rolę skrzyni biegów, ma raptem dwa przełożenia, to prędkość maksymalna czołgów serii Patton wcale niska nie jest. Wynosi około 45 km/h. Czyli mniej więcej tyle samo ile w innych wozach bojowych wczesnego okresu zimnej wojny.

Zalety i wady przekładni hydrokinetycznej

Zalety przekładni hydrokinetycznej są w sumie zbliżone do zalet sprzęgła hydrokinetycznego. Przy braku mechanicznego połączenia pomiędzy silnikiem a kołami, mamy dobre tłumienie wstrząsów i drgań układu napędowego. Co więcej, jeśli auto ma układ napędowy z przekładnią hydrokinetyczną i ręczną skrzynią biegów, to w takim pojeździe można ruszać z każdego biegu. Jest to nawet mniej problematyczne niż w aucie ze sprzęgłem hydrokinetycznym, ponieważ przekładnia hydrokinetyczna multiplikuje moment obrotowy. No i ogólnie rzecz biorąc, przekładnia hydrokinetyczna multiplikująca moment obrotowy powoduje, iż nie trzeba przesadnie często zmieniać biegów.

Jeśli idzie o wady, w autach z przekładnią hydrokinetyczną utrudnione jest hamowanie silnikiem. Dodatkowo zastosowanie przekładni hydrokinetycznej powoduje wzrost zużycia paliwa. Zgodnie z książką Automatyczne napędy samochodów auto z przekładnią hydrokinetyczną może zużywać nawet 10 – 20% więcej paliwa od samochodu o całkowicie mechanicznym układzie przeniesienia mocy. Podobnie jest ze spadkiem mocy. Zgodnie z książką, obniżenie mocy na wale wyjściowym przekładni hydrokinetycznej względem mocy maksymalnej silnika wynosi 12 – 15% dla przekładni jednozakresowych oraz 4 – 10% dla przekładni dwuzakresowych (system Trilok).

Wymienione wady tyczą się w dużej mierze starych aut z klasyczną automatyczną hydromechaniczną skrzynią biegów. Im nowszy model hydromechanicznej skrzyni biegów, tym owe wady są mniej widoczne.