Välkommen tillbaka till Gearhead 101 – en serie om grunderna i hur bilar fungerar för nybörjare i bilar där ute.
Eftersom du läser Art of Manliness, vet du hur man kör ett stick shift. Men vet du vad som händer under huven när du växlar?
Nej?
Nåväl, idag är din lyckodag!
I den här utgåvan av Gearhead 101 tar vi en titt på detaljerna i hur en manuell växellåda fungerar. När du har läst klart detta stycke bör du ha en grundläggande förståelse för denna viktiga del i ditt fordons drivlina.
Låt oss kavla upp ärmarna och komma igång.
Obs! Innan du läser hur en växellåda fungerar rekommenderar jag starkt att du granskar vår Gearhead 101s på in- och utsidan av motorer och drivlinor.
Innan vi går in på detaljerna om hur en manuell växellåda fungerar, låt oss prata om vad växellådor gör i allmänhet.
Som diskuteras i vår primer om hur en bilmotor fungerar skapar motorn i ditt fordon 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 det finns ett par problem med kraft som produceras av en förbränningsmotor. För det första levererar den bara användbar effekt, eller vridmoment, inom ett visst område för motorvarvtal (detta intervall kallas en motors effektband). Gå för långsamt eller för fort, och du får inte den optimala mängden vridmoment för att få bilen i rörelse. För det andra behöver bilar ofta mer eller mindre vridmoment än vad motorn optimalt kan ge inom sitt effektområde.
För att förstå det andra problemet måste du förstå det första problemet. Och för att förstå det första problemet måste du förstå skillnaden mellan motorhastighet och motorns vridmoment .
Motorhastigheten är den hastighet med vilken motorns vevaxel snurrar. Detta mäts i varv per minut (RPM).
Motorvridmoment är hur mycket vridkraft motorn genererar vid sin axel för en viss rotationshastighet.
En bilmekaniker gav denna fina analogi för att förstå skillnaden mellan motorvarvtal och motorvridmoment:
Föreställ dig att du var en motor och du försöker slå in en spik i en vägg:
Hastighet =Hur många gånger du träffar spiken på en minut.
Vridmoment =Hur hårt du slår på spiken varje gång.
Tänk tillbaka på förra gången du hamrade spikar. Om du hamrade riktigt snabbt, märkte du förmodligen att du inte slog på spiken med mycket kraft. Dessutom har du förmodligen tröttnat på dig själv av så mycket frenetiskt svängande.
Omvänt, om du tog dig tid mellan varje sväng, men såg till att varje sväng du gjorde var så hård som möjligt, skulle du slå in spiken med färre svängningar, men det kan ta dig lite längre tid eftersom du inte svänger i ett jämnt tempo.
Helst skulle du hitta en hammartakt som gjorde att du kunde slå spikhuvudet flera gånger med en bra mängd kraft med varje sväng utan att trötta ut dig. Inte för snabbt, inte för långsamt, utan bara rätt.
Tja, vi vill att vår bils motor ska göra samma sak. Vi vill att den ska snurra med den hastighet som gör att den kan leverera det nödvändiga vridmomentet utan att arbeta så hårt att den förstör sig själv. Vi behöver att motorn håller sig inom sitt kraftområde.
Om en motor snurrar under dess kraftband, har du inte det vridmoment du behöver för att flytta bilen framåt. Om den går över kraftbandet börjar vridmomentet sjunka och din motor börjar låta som om den håller på att gå sönder på grund av stress (ungefär som vad som händer när du försöker hamra för snabbt — du slår i spiken med mindre kraft och du får verkligen, väldigt trött). Om du har varvt på motorn tills varvräknaren går i rött förstår du det här konceptet. Din motor låter som om den håller på att dö, men du rör dig inte snabbare.
Okej, så du förstår behovet av att hålla ett fordon igång i sitt kraftområde så att det fungerar effektivt.
Men det för oss till vårt andra problem:bilar behöver mer eller mindre vridmoment i vissa situationer.
Till exempel, när du startar en bil i stillastående, behöver du mycket kraft, eller vridmoment, för att få igång fordonet. Om du golvar gaspedalen kommer du att få motorns vevaxel att snurra riktigt snabbt, vilket gör att motorn går långt över sitt kraftband och möjligen förstör sig själv i processen. Och kickern är att du inte ens kommer att flytta bilen så mycket eftersom vridmomentet sjunker på en motor när den går över dess kraftband. I den här situationen behöver vi mycket mer vridmoment, men för att få det måste vi offra lite hastighet.
Okej, tänk om du bara trycker på gasen en liten bit? Nåväl, det kommer förmodligen inte att få motorn att snurra tillräckligt snabbt för att komma in i kraftbandet i första hand så att den kan leverera vridmomentet för att få bilen i rörelse.
Låt oss ta en titt på ett annat scenario:Låt oss säga att du har fått bilen i rörelse riktigt snabbt, som när du cruisar på motorvägen. Du behöver inte skicka lika mycket kraft från motorn till hjulen, eftersom bilen redan rör sig i rask takt. Ren momentum gör mycket av jobbet. Så du kan låta motorn snurra i högre hastighet utan att oroa dig lika mycket för mängden kraft som levereras till hjulen. Vi behöver mer rotationshastighet gå till hjulen och mindre roterande kraft .
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 eller går riktigt fort).
Ange överföringen.
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 kan göra denna effektiva överföring av kraft genom en serie växlar i olika storlekar som utnyttjar kraften i utväxlingsförhållandet.
Inuti växellådan finns en serie kugghjul i olika storlekar som producerar vridmoment. Eftersom växlarna som samverkar med varandra är olika stora, kan vridmomentet ökas eller minskas utan att varvtalet på motorns rotationskraft ändras så mycket. Detta tack vare utväxlingsförhållanden.
Utväxlingsförhållanden representerar växlarnas förhållande till varandra i storlek. När kugghjul av olika storlek griper ihop kan de snurra i olika hastigheter och leverera olika mängder kraft.
Låt oss titta på en dum-down version av växlar i aktion för att förklara detta. Säg att du har en ingångsväxel med 10 kuggar (med ingående växel menar jag en växel som genererar kraften) kopplad till en större utgång med 20 kuggar (med utgångsväxel menar jag en växel som tar emot kraften). För att snurra den där 20-tandade växeln en gång måste den 10-tandade växeln vridas två gånger eftersom den är hälften så stor som den 20-tandade växeln. Det betyder att även om den 10-tandade växeln snurrar snabbt så snurrar den 20-tandade växeln långsamt. Och även om den 20-tandade växeln roterar långsammare, levererar den mer kraft, eller kraft, eftersom den är större. Förhållandet i detta arrangemang är 1:2. Detta är en låg utväxling.
Eller låt oss säga att de två växlarna som är anslutna till varandra är av samma storlek (10 tänder och 10 tänder). De skulle båda snurra i samma hastighet, och de skulle båda leverera samma mängd kraft. Utväxlingen här är 1:1. Detta kallas "direktdrift" eftersom de två växlarna överför samma mängd kraft.
Eller låt oss säga att ingångsväxeln var större (20 kuggar) och utgångsväxeln var mindre (10 kuggar). För att snurra den 10-tandade växeln en gång, skulle den 20-tandade växeln bara behöva svänga halvvägs. Detta innebär att även om den 20-tandade ingångsväxeln snurrar långsamt och med mer kraft, snurrar den 10-tandade utgående växeln snabbt och ger mindre kraft. Utväxlingen här är 2:1. Detta kallas hög utväxling.
Låt oss ta det konceptet tillbaka till syftet med överföringen.
Nedan hittar du ett diagram över kraftflödet när de olika växlarna i ett fordon med 5-växlad manuell växellåda är ilagda.
Första växeln. Det är den största växeln i växellådan och inkapslad i en liten växel. Ett typiskt utväxlingsförhållande när en bil är i första växeln är 3,166:1. När första växeln är ilagd levereras låg hastighet, men hög effekt. Detta utväxlingsförhållande är utmärkt för att starta din bil från stillastående.
Andra växeln. Andra växeln är något mindre än första växeln, men är fortfarande inkopplad i en mindre växel. Ett typiskt utväxlingsförhållande är 1,882:1. Hastigheten ökas och effekten minskas något.
Tredje växeln. Tredje växeln är något mindre än den andra, men fortfarande invävd i en mindre växel. Ett typiskt utväxlingsförhållande är 1,296:1.
Fjärde växeln. Fjärde växeln är något mindre än den tredje. I många fordon, när en bil är i fjärde växeln, rör sig den utgående axeln med samma hastighet som den ingående axeln. Detta arrangemang kallas "direktdrift." Ett typiskt utväxlingsförhållande är 0,972:1
Femte växeln. I fordon med en femte växel (även kallad "överväxel") är den kopplad till en växel som är betydligt större. Detta gör att den femte växeln snurrar mycket snabbare än växeln som levererar kraft. Ett typiskt utväxlingsförhållande är 0,78:1.
Så vid det här laget bör 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 du förser dina hjul med rätt mängd kraft de behöver för att röra sig och stanna bilen, oavsett vilken situation du befinner dig i.
Låt oss ta en titt på de delar av en överföring som tillåter detta att hända:
Ingående axel. Den ingående axeln kommer från motorn. Detta snurrar med samma hastighet och kraft som motorn.
Monaxel. Mellanaxeln (aka layshaft) sitter precis under de utgående axlarna. Mellanaxeln ansluter direkt till den ingående axeln via en fast växel. Närhelst den ingående axeln snurrar, snurrar även mellanaxeln och med samma hastighet som den ingående axeln.
Förutom växeln som tar kraft från den ingående axeln, har mellanaxeln även flera växlar på sig, en för var och en av bilens "växlar" (1:a-5:a), inklusive back.
Utgående axel. Den utgående axeln löper parallellt ovanför mellanaxeln. Detta är axeln som levererar kraft till resten av drivlinan. Mängden kraft den utgående axeln levererar beror helt på vilka växlar som är ilagda på den. Den utgående axeln har fritt roterande kugghjul som är monterade på den med kullager. Hastigheten på den utgående axeln bestäms av vilken av de fem växlarna som är i "växel" eller ilagd.
1:a-5:e växlar. Det här är växlarna som är monterade på den utgående axeln med hjälp av lager och avgör vilken "växel" din bil är i. Var och en av dessa växlar är ständigt ingrepp med en av växlarna på mellanaxeln och snurrar ständigt. Detta ständigt inträngda arrangemang är vad du ser i synkroniserade transmissioner eller konstantnätstransmissioner, som de flesta moderna fordon använder. (Vi ska gå in på hur alla växlar alltid kan snurra medan bara en av dem faktiskt levererar kraft till drivlinan här om en stund.)
Första växeln är den största växeln, och växlarna blir gradvis mindre när du kommer till femmans växel. Kom ihåg, utväxlingar. Eftersom den första växeln är större än växeln den är ansluten till, kan den snurra långsammare än den ingående axeln (kom ihåg att mellanaxeln rör sig med samma hastighet som den ingående axeln), men leverera mer kraft till den utgående axeln. När du går uppåt i växlar minskar utväxlingen tills du når den punkt där de ingående och utgående axlarna rör sig med samma hastighet och levererar samma mängd kraft.
Tillgångsväxel. Tomgångsväxeln (ibland kallad "reverserad tomgångsväxel") sitter mellan backväxeln på den utgående axeln och en växel på mellanaxeln. Tomgångsväxeln är det som gör att din bil kan backa. Backväxeln är den enda växeln i en synkroniserad växellåda som inte alltid är ingripen eller snurrar i ett mellanaxelväxel. Den rör sig bara när du faktiskt växlar fordonet till backen.
Synkroniserande kragar/ärmar. De flesta moderna fordon har en synkroniserad transmission, vilket innebär att växlarna som levererar kraft på den utgående axeln ständigt är inkapslade i växlar på mellanaxeln och snurrar konstant. Men du kanske tänker:"Hur kan alla fem växlarna ständigt vara ingreppade och ständigt snurra, men bara en av dessa växlar levererar faktiskt kraft till den utgående axeln?"
Den andra frågan som kommer upp med att växlarna alltid snurrar är att drivhjulet ofta roterar med en annan hastighet än den utgående axeln som växeln är ansluten till. Hur synkroniserar du en växel som snurrar i en annan hastighet än den utgående axeln, och på ett smidigt sätt som inte orsakar mycket slipning?
Svaret på båda frågorna:synkroniseringskragar.
Som nämnts ovan är växlarna 1-5 monterade på den utgående axeln via kullager. Detta gör att alla växlar kan snurra fritt samtidigt medan motorn är igång. För att koppla in en av dessa växlar måste vi ansluta den ordentligt till den utgående axeln, så att kraften levereras till den utgående axeln och sedan till resten av drivlinan.
Mellan var och en av kugghjulen finns ringar som kallas synkroniseringskragar. På en femväxlad växellåda finns det en krage mellan 1:a och 2:a växlarna, mellan 3:e och 4:e växlarna och mellan 5:e och backväxeln.
När du lägger en bil i en växel växlar synkroniseringskragen över till den rörliga växeln du vill lägga i. På utsidan av kugghjulet finns en serie konformade tänder. Synkroniseringskragen har spår för att ta emot dessa tänder. Tack vare utmärkt mekanik kan synkroniseringskragen ansluta till en växel med mycket lite brus eller friktion även när växeln rör sig, och synkronisera växelns hastighet med den ingående axeln. När väl synkroniseringskragen är ingrepp med drivväxeln, levererar den drivande växeln kraft till den utgående axeln.
Närhelst en bil är "neutral" är ingen av synkroniseringskragarna inkapslade i en körväxel.
Synkroniseringskragar är också något som är lättare att förstå visuellt. Här är ett kort litet klipp som gör ett bra jobb som förklarar vad som händer (börjar vid cirka 1:59-strecket):
Växling. Växlingen är vad du flyttar för att lägga en bil i växel.
Växlingsstång. Växelspakarna är det som flyttar synkroniseringskragarna mot den växel du vill lägga i. På de flesta femväxlade fordon finns det tre växlingsstänger. Ena änden av en växelspak är ansluten till växeln. I andra änden av växelspaken finns en växlingsgaffel som håller synkroniseringskragen.
Skiftgaffel. Växelgaffeln håller synkroniseringskragen.
Koppling. Kopplingen sitter mellan växellådans motor och växellåda. När kopplingen är urkopplad kopplar den bort kraftflödet mellan motorn och transmissionens växellåda. Denna frånkoppling av ström gör att motorn kan fortsätta att gå även om resten av bilens drivlina inte får någon kraft. Med motorkraften frånkopplad från transmissionen är växlingen mycket lättare och förhindrar skador på transmissionens växlar. Det är därför du trycker på kopplingspedalen och kopplar ur kopplingen när du växlar.
När kopplingen är i - din fot lossnar från pedalen - återställs kraften mellan motorn och transmissionen.
Så låt oss sammanföra detta och gå igenom vad som händer när du växlar i ett fordon. Vi börjar med att starta en bil och växla upp till andra växeln.
När du startar en bil med manuell växellåda, innan du vrider om nyckeln, kopplar du ur kopplingen genom att trycka ner kopplingspedalen. Detta kopplar bort kraftflödet mellan motorns ingående axel och transmissionen. Detta gör att din motor kan gå utan att leverera kraft till resten av fordonet.
Med kopplingen urkopplad flyttar du på växeln i första växeln. Detta orsakar en växlingsstav i växellådans växellåda för att flytta växelgaffeln mot första växeln, som är monterad på utgångsaxeln via kullager.
Det här första växeln på den utgående axeln är inkapslad i ett kugghjul som är anslutet till en motaxel . Mellanaxeln ansluter till motorns ingående axel via en växel och snurrar med samma hastighet som motorns ingående axel.
Fäst på växelgaffeln är en synkroniseringskrage . Synkroniseringskragen gör två saker:1) den fäster drivhjulet ordentligt på den utgående axeln så att växeln kan leverera kraft till den utgående axeln, och 2) den ser till att kugghjulet synkroniseras med hastigheten på den utgående axeln.
När synkroniseringskragen väl är ingreppad med den första växeln är växeln stadigt ansluten till den utgående axeln och fordonet är nu i växel.
För att få igång bilen trycker du ner gasen något (vilket skapar mer motorkraft) och tar långsamt foten från kopplingen (som kopplar in kopplingen och kopplar in strömmen mellan motorn och transmissionens växellåda).
Eftersom den första växeln är stor, får den utgående axeln att snurra långsammare än motorns ingående axel, men levererar mer kraft till resten av drivlinan. Detta tack vare underverken med växelförhållanden .
Om du har gjort allt korrekt kommer bilen sakta att börja röra sig framåt.
När du väl har fått igång bilen vill du gå snabbare. Men med bilen i första växeln kommer du inte att kunna köra särskilt fort eftersom utväxlingen gör att den utgående axeln svänger med en viss hastighet. Om du skulle golva gaspedalen med bilen i första växeln, kommer du bara att få motorns ingående axel att snurra riktigt snabbt (och eventuellt skada motorn i processen), men inte se en ökning av fordonshastigheten.
För att öka hastigheten på den utgående axeln måste vi växla upp till andra växeln. Så vi trampar på kopplingen för att koppla bort strömmen mellan motorn och transmissionens växellåda och växlar till andra växeln. Detta flyttar växelspaken som har en växlingsgaffel och synkroniseringskrage mot andra växeln. Synkroniseringskragen synkroniserar den andra växelns hastighet med den utgående axeln och fäster den stadigt på den utgående axeln. Den utgående axeln kan nu snurra snabbare utan att motorns ingående axel snurrar ursinnigt för att producera den kraft som bilen behöver.
För resten av de fem växlarna är det att skölja, tvätta och upprepa.
Backväxeln är undantaget. Till skillnad från de andra körväxlarna där du kan växla upp utan att helt stoppa bilen, måste du stå stilla för att växla i backen. Detta beror på att backväxeln inte ständigt är ingrepp med en växel på motaxeln. För att skjuta in backväxeln i dess motsvarande mellanaxelväxel måste du se till att mellanaxeln inte rör sig. För att säkerställa att mellanaxeln inte snurrar måste du ha bilen helt stoppad.
Visst, du kan tvinga en framåtgående bil i backväxeln, men det kommer inte att låta eller kännas vackert, och du kan orsaka mycket skada på transmissionen.
Nu när du lägger din bil i växel vet du vad som händer under huven. Nästa: automatiska växellådor.
