Välkommen tillbaka till Gearhead 101 — en serie om grunderna i hur bilar fungerar för nybörjare i bilar där ute.
Om du har följt Gearhead 101 vet du hur en bilmotor fungerar, hur motorn överför kraften den genererar via drivlinan och hur en manuell växellåda fungerar som en sorts kraftväxel mellan motorn och drivlinan.
Men de flesta människor idag (åtminstone om du bor i USA) kör bil med automatik sändningar. Har du någonsin undrat hur din bil kan växla till rätt växel utan att du behöver göra något förutom att trycka på gaspedalen eller bromsen?
Nåväl, håll i rumpan. Vi är på väg att leda dig genom en av de mest fantastiska bitarna av mekanisk (och vätske) ingenjörskonst i mänsklighetens historia:den automatiska växellådan.
(Allvarligt, jag överdriver inte:när du väl förstår hur automatisk växellåda fungerar, kommer du att bli imponerad av att folk kunde komma på den här saken utan datorer.)
Innan vi går in på detaljerna i hur en automatisk växellåda fungerar, låt oss göra en snabb genomgång av varför fordon behöver en växellåda – av något slag – i första hand.
Som diskuterats i vår primer om hur en bilmotor fungerar, skapar ditt fordons motor rotationskraft. För att flytta bilen måste vi överföra den rotationskraften till hjulen. Det är vad bilens drivlina – som transmissionen är en del av – gör.
Men här är problemet:en motor kan bara snurra inom en viss hastighet för att fungera effektivt. Om den snurrar för lågt, skulle du inte kunna få bilen i rörelse från stillastående; om den snurrar för fort kan motorn självförstöra.
Vad vi behöver är något sätt att multiplicera kraften som produceras av motorn när den behövs (starta från stillastående, gå uppför en backe, etc.), men också minska mängden kraft som skickas från motorn när den inte behövs ( går nedför, går riktigt fort, bromsar).
Ange sändningen.
Transmissionen ser till att din motor snurrar i optimal hastighet (varken för långsamt eller för snabbt) samtidigt som dina hjul får rätt mängd kraft de behöver för att röra sig och stanna bilen, oavsett vilken situation du befinner dig i. Den sitter mellan motorn och resten av drivlinan och fungerar liksom en elcentral för bilen.
Vi har tidigare gått in i detalj på hur manuella växellådor åstadkommer detta genom utväxlingsförhållanden. Genom att koppla ihop olika växlar med varandra kan du öka mängden kraft som levereras till resten av bilen utan att ändra varvtalet på motorns rotationskraft så mycket. Om du ännu inte förstår tanken på utväxlingsförhållanden rekommenderar jag att du tittar på videon vi inkluderade förra gången innan du går vidare; inget annat är vettigt om du inte förstår detta koncept.
Med en manuell växellåda styr du vilka växlar som läggs i genom att trycka på kopplingen och växla på plats.
På en automatisk växellåda avgör briljant teknik vilken växel som är ilagd utan att du behöver göra någonting annat än att trycka på gasen eller bromspedalerna. Det är bilmagi.
Så vid det här laget borde du ha en grundläggande förståelse för en transmissions syfte:den säkerställer att din motor snurrar i optimal hastighet (varken för långsamt eller för snabbt), samtidigt som dina hjul får rätt mängd kraft för att röra sig och stoppa bil, oavsett situation.
Låt oss ta en titt på de delar som gör att detta kan hända i fallet med den automatiska växellådan:
Transmissionskåpa
Ett transmissionshölje rymmer alla delar av transmissionen. Det ser ut som en klocka, så du kommer ofta att höra att det kallas ett "klockhölje". Transmissionshöljet är vanligtvis tillverkat av aluminium. Förutom att skydda alla växlar i växellådan, har klockhuset på moderna bilar olika sensorer som spårar ingående rotationshastighet från motorn och utgående rotationshastighet till resten av bilen.
Vridmomentomvandlare
Har du någonsin undrat varför du kan starta din bils motor, men inte få saken att gå framåt? Tja, det beror på att kraftflödet från motorn till transmissionen är frånkopplat. Denna frånkoppling gör att motorn kan fortsätta att gå även om resten av bilens drivlina inte får någon kraft. På en manuell växellåda kopplar du bort strömmen från motorn till drivlinan genom att trycka in kopplingen.
Men hur kopplar man bort strömmen från motorn till resten av drivlinan på en automatlåda som inte har koppling?
Med momentomvandlare förstås.
Det är här den svarta magin med automatiska växellådor börjar (vi har inte ens kommit till planetväxlar än).
Momentomvandlaren sitter mellan motorn och transmissionen. Det är en grej som ser ut som en munk som sitter inuti den stora öppningen på växellådans klocka. Den har två primära funktioner när det gäller överföring av vridmoment:
Den utför dessa två funktioner tack vare hydraulkraften från transmissionsvätskan inuti din transmission.
För att förstå hur detta fungerar måste vi veta hur de olika delarna av en momentomvandlare fungerar.
Delar av en vridmomentomvandlare
Det finns fyra huvuddelar av en momentomvandlare i de flesta moderna fordon:1) pumpen, 2) statorn, 3) turbinen och 4) momentomvandlarens koppling.
1. Pump (aka impeller). Pumpen ser ut som en fläkt. Den har ett gäng blad som strålar ut från mitten. Pumpen är monterad direkt på momentomvandlarhuset som i sin tur är fastskruvat direkt på motorns svänghjul. Följaktligen snurrar pumpen med samma hastighet som motorns vevaxel. (Du måste komma ihåg att när vi går igenom hur momentomvandlaren fungerar.) Pumpen "pumpar" transmissionsvätska utåt från mitten mot . . .
2. Turbin. Turbinen sitter inuti omvandlarhuset. Precis som pumpen ser den ut som en fläkt. Turbinen ansluter direkt till transmissionens ingående axel. Den är inte ansluten till pumpen så den kan röra sig med en annan hastighet än pumpen. Detta är en viktig punkt. Det är detta som gör att motorn kan svänga med en annan hastighet än resten av drivlinan.
Turbinen kan snurra tack vare transmissionsvätskan som skickas från pumpen. Turbinens blad är utformade på ett sätt så att vätskan den tar emot flyttas mot mitten av turbinen och tillbaka mot pumpen.
3. Stator (alias Reactor). Statorn sitter mellan pumpen och turbinen. Det ser ut som ett fläktblad eller en flygplanspropeller (ser du ett mönster här?). Statorn gör två saker:1) skickar transmissionsvätska från turbinen tillbaka till pumpen mer effektivt, och 2) multiplicerar vridmomentet som kommer från motorn för att hjälpa bilen att röra sig, men skickar sedan mindre vridmoment när bilen väl går. klipp.
Den åstadkommer detta tack vare lite smart teknik. För det första är bladen på reaktorn utformade på ett sätt så att när transmissionsvätskan som lämnar turbinen träffar statorns blad, avleds vätskan i samma riktning som pumpens rotation.
För det andra är statorn ansluten till en fast axel på transmissionen via en envägskoppling. Detta innebär att statorn bara kan röra sig i en riktning. Detta säkerställer att vätska från turbinen riktas i en riktning. Statorn börjar snurra först när vätskehastigheten från turbinen når en viss nivå.
Dessa två designelement av statorn gör pumpens arbete enklare och genererar mer vätsketryck. Detta skapar i sin tur ett förstärkt vridmoment vid turbinen och eftersom turbinen är kopplad till transmissionen kan mer vridmoment skickas till transmissionen och resten av bilen. Usch.
4. Momentomvandlarkoppling. Tack vare hur vätskedynamiken fungerar går kraft förlorad när transmissionsvätskan går från pumpen till turbinen. Detta resulterar i att turbinen snurrar med något lägre varvtal än pumpen. Det här är inte ett problem när bilen kör (i själva verket är det att hastighetsskillnaden är det som gör att turbinen kan leverera mer vridmoment till transmissionen), men när den väl är i gång leder den skillnaden till viss energiineffektivitet.
För att motverka den energiförlusten har de flesta moderna momentomvandlare en momentomvandlarkoppling som är ansluten till turbinen. När bilen når en viss hastighet (vanligtvis 45-50 mph), kopplas momentomvandlarens koppling in och får turbinen att snurra i samma hastighet som pumpen. En dator styr när omvandlarens koppling är inkopplad.
Så det är delarna av momentomvandlaren.
Låt oss sammanföra allt och ta en titt på hur momentomvandlarens verkan skulle se ut när du går från ett dödstopp till en marschfart:
Du slår på bilen och den går på tomgång. Pumpen snurrar i samma hastighet som motorn och skickar transmissionsvätska mot turbinen, men eftersom motorn inte snurrar särskilt snabbt vid ett dödstopp snurrar turbinen inte så snabbt, så den kan inte leverera vridmoment till transmissionen.
Du trampar på gasen. Detta gör att motorn snurrar snabbare, vilket gör att momentomvandlarpumpen snurrar snabbare. Eftersom pumpen snurrar snabbare rör sig transmissionsvätskan tillräckligt snabbt från pumpen för att börja snurra turbinen snabbare. Turbinbladen skickar vätskan till statorn. Statorn snurrar inte ännu eftersom transmissionsvätskehastigheten inte är tillräckligt hög.
Men på grund av utformningen av statorns blad, när vätskan passerar genom dem, leder den tillbaka vätskan till pumpen i samma riktning som pumpen snurrar. Detta gör att pumpen kan flytta tillbaka vätskan till turbinen med högre hastighet och skapar mer vätsketryck. När vätskan går tillbaka till turbinen gör den det med mer vridmoment, vilket gör att turbinen levererar mer vridmoment till transmissionen. Bilen börjar gå framåt.
Om och om igen fortsätter denna cykel när din bil ökar hastigheten. När du når marschhastighet når transmissionsvätskan ett tryck som gör att reaktorbladen slutligen snurrar. När reaktorn snurrar minskas vridmomentet. Vid det här laget behöver du inte mycket vridmoment för att flytta bilen eftersom bilen rör sig med ett bra klipp. Vridmomentomvandlarens koppling kopplas in och får turbinen att snurra med samma hastighet som pumpen och motorn.
Okej, så momentomvandlaren är det som tillåter eller förhindrar att kraften från motorn överförs till transmissionen och det som multiplicerar vridmomentet till transmissionen för att få bilen att gå från ett dödstopp. Dags att ta en titt på de delar av transmissionen som gör att bilen kan växla automatiskt.
Planetväxlar
När ditt fordon når högre hastigheter behöver det mindre vridmoment för att hålla bilen igång. Transmissioner kan öka eller minska mängden vridmoment som skickas till bilens hjul tack vare utväxlingsförhållandena. Ju lägre utväxlingen är, desto mer vridmoment levereras. Ju högre utväxling desto mindre vridmoment levereras.
På en manuell växellåda måste du flytta din växel för att ändra utväxlingarna.
På en automatisk växellåda ökar och minskar utväxlingarna automatiskt. Och detta kan hända tack vare den geniala designen hos en planetväxel.
En planetväxel består av tre komponenter:
En enda planetväxel kan uppnå backdrivning och fem nivåer av framåtdrivning. Allt beror på vilken av de tre komponenterna i växelsatsen som rör sig eller hålls stilla.
Låt oss ta en titt på det i aktion med de olika komponenterna som antingen fungerar som ingångsväxeln (växeln som genererar kraften), utgångsväxeln (växeln som tar emot kraft) eller hålls stilla.
Solväxel:ingångsväxel / planetbärare:utgångsväxel / Ringväxel:hålls stilla
I det här scenariot är solhjulet ingångsväxeln. Ringkugghjulet rör sig inte. Med solhjulet i rörelse och ringhjulet hållet på plats kommer planethjulen att rotera på sina egna bäraxlar och gå runt insidan av ringhjulet, men i motsatt riktning som solhjulet. Detta gör att bäraren roterar i samma riktning som solhjulet. Bäraren blir alltså utgångsväxeln.
Denna konfiguration skapar ett lågt utväxlingsförhållande vilket innebär att den ingående växeln (i det här fallet, solhjulet) snurrar snabbare än den utgående växeln (planetbäraren). Men mängden vridmoment som planetbäraren skapar är mycket mer än vad solutrustningen levererar.
Denna typ av konfiguration skulle användas när bilen precis ska starta.
Solväxel:hålls stationär / planetbärare:utgående växel / Ringväxel:ingående växel
I det här scenariot hålls solhjulet stilla, men ringväxeln blir ingångsväxeln (det vill säga den levererar kraft till växelsystemet). Eftersom solkugghjulet hålls i, kommer de snurrande planethjulen att gå runt solhjulet och bära planetbäraren med sig.
Planetbäraren rör sig i samma riktning som ringkugghjulet och är ett utgående kugghjul.
Denna konfiguration skapar lite högre utväxling än den första konfigurationen. Men det ingående kugghjulet (ringdrevet) snurrar fortfarande snabbare än det utgående kugghjulet (planetbäraren). Detta resulterar i att planetväxeln levererar mer vridmoment, eller kraft, till resten av drivlinan. Den här konfigurationen skulle sannolikt vara i spel när din bil rusar upp från ett stopp, eller när du kör uppför en backe.
Sun Gear:ingående växel / Planetary Carrier:utgående växel / Ring Gear:ingående växel
I det här scenariot fungerar både solhjulet och ringväxeln som ingångsväxlar. Det vill säga båda snurrar i samma hastighet och i samma riktning. Detta gör att planethjulen inte snurrar på sina individuella axlar. Varför? If the ring gear and the sun gear are the input members, the internal teeth of the ring gear will try to rotate the planetary gears in one direction, while the external teeth of the sun gear will try to drive them in the opposite direction. So they lock into place. The whole unit (sun gear, planetary carrier, ring gear) moves together at the same speed and they transfer the same amount of power. When the input and the output transfer the same amount of torque, it’s called direct drive.
This arrangement would be in play when you’re cruising around 45-50 mph.
Sun Gear:held stationary / Planetary Carrier:input gear / Ring Gear:output gear
In this scenario, the sun gear is held stationary, and the planetary carrier becomes the input gear that delivers power to the gear system. The ring gear is now the output gear.
As the planet carrier rotates, the planetary gears are forced to walk around the held sun gear, which drives the ring gear faster. One complete rotation of the planet carrier causes the ring gear to rotate more than one complete revolution in the same direction. This is a high gear ratio and provides more output speed but less torque. This arrangement is also known as “overdrive.”
You’d be in this configuration when you’re driving on the freeway at 60+ mph.
An automatic transmission usually has more than one planetary gear set. They work together to create multiple gear ratios.
Because the gears are in constant mesh in a planetary gear system, gear changes are made without engaging or disengaging gears, like you do on a manual transmission.
But how does an automatic transmission tell which parts of the planetary gear system should act as the input gear, the output gear, or be held stationary, so we can get those varying gear ratios?
With the help of brake bands and clutches inside the transmission.
Brake Bands and Clutches
Brake bands are made of metal lined with organic friction material. The brake bands can tighten to hold the ring or sun gear stationary or loosen to let them spin. Whether a brake band tightens or loosens is controlled by a hydraulic system.
A series of clutches also connect to the different parts of a planetary gear system. Transmission clutches in automatic transmissions are made up of multiple metal and friction discs (which is why they’re sometimes referred to as a “multi disc clutch assembly”). When the discs are pressed together, it causes the clutch to engage. A clutch can cause a planetary gear part to become an input gear or it could cause it to become stationary. It just depends on how it’s connected to the planetary gear. Whether a clutch engages or not is driven by a combination of mechanical, hydraulic, and electrical design. And it all happens automatically.
Now the intricacies of how the various clutches work together to hold and drive different components is pretty complicated. Too complicated to describe it in text. It’s best understood visually. I highly recommend checking out this video that walks you through it:
As you can see, there are a lot of moving parts inside an automatic transmission. It uses a combination of mechanical, fluid, and electrical engineering to give you a smooth ride from dead stop to highway cruising speed.
So let’s walk through a big picture overview of the power flow in an automatic transmission.
The engine sends power to the torque convertor’s pump .
The pump sends power to the torque converter’s turbine via transmission fluid.
The turbine sends the transmission fluid back to the pump via the stator .
The stator multiples the power of the transmission fluid, allowing the pump to send more power back to the turbine. A vortex power rotation is created inside the torque converter.
The turbine is connected to a central shaft that connects to the transmission. As the turbine spins, the shaft spins, sending power to the first planetary gear set of the transmission.
Depending on which multiple disc clutch or brake band is engaged in the transmission, the power from the torque converter will either cause the sun gear , the planetary carrier , or the ring gear of the planetary gear system to move or stay stationary.
Depending on which parts of the planetary gear system are moving or not determines the gear ratio . Whatever planetary gear arrangement you have (sun gear acting as input, planetary carrier acting as output, ring gear stationary — see above) will determine the amount of power the transmission sends to the rest of the drive train.
That, broadly speaking, is how an automatic transmission works. There are sensors and valves that regulate and modify things, but that’s the basic gist of it.
It’s something that’s easier understood visually. I highly recommend watching the following video. The background we went through will make it much easier to understand:
What did I tell you? The automatic transmission is pretty dang amazing.
Now as you feel the car shift gears as you cruise down the freeway, you’ll have a good idea of what’s going on under the hood.
