Hydrodynamický měnič točivého momentu (Hydroměnič)
Hydrodynamická spojka a hydrodynamický měnič jsou zařízení sloužící k přenosu točivého momentu z hnacího hřídele motoru přímo na automatickou převodovku. Mezi hnacím a hnaným hřídelem obou mechanismů nejestvuje mechanické spojení, proto přenos rotace z jedné osy na druhou probíhá rovnoměrně a bez jakýchkoliv přerušení či otřesů.
Trocha historie
Za svůj vznik, obě zařízení, vděčí rozmachu loďařství (na konci 19. století). Když se na lodích námořní flotily objevily parní stroje, vznikla poptávka po zařízení, které by umožňovalo plynule přenášet točivý moment z parních turbín na velké a těžké lodní vrtule ponořené pod vodou. Právě takovým zařízením se staly hydrodynamická spojka i hydrodynamický měnič. V roce 1905 si je nechal patentovat německý elektroinženýr a vynálezce Hermann Föttinger. Později byly tyto mechanismy přizpůsobeny montáži do londýnských autobusů, a pak, kvůli dosažení plynulejšího pohybu, i montáži do automobilů a prvních dieselových lokomotiv.
Hydrodynamická spojka
Hydrodynamická spojka představuje nejjednodušší prvek hydrodynamického přenosu. V minulosti se instalovala do vozů s poloautomatickými a automatickými převodovkami, v současnosti je vytlačena hydrodynamickým měničem. Není schopna předávaný točivý moment zvyšovat. Točivý moment hnacího hřídele se tedy vždy rovná točivému momentu hřídele hnaného.
Konstrukce a princip fungování hydrodynamické spojky
Vevnitř hydrodynamické spojky jsou souose a velmi blízko umístěna dva rotující lopatková kola. Jedno z nich je spojeno s hnacím hřídelem (oběžné neboli čerpací) a druhé s hnaným (turbínové). Prostor hydrodynamické převodovky je vyplněn přenosovou kapalinou. Princip činnosti je velmi jednoduchý. Hnací hřídel hydrodynamické spojky se otáčí prostřednictvím motoru. Spolu s hnací hřídelí, v prostoru hydrodynamické spojky, cirkuluje i přenosová kapalina. Díky její vysoké viskozitě je do této cirkulace postupně zapojován hnaný hřídel. Takto se plynule narůstající točivý moment, postupně přes přenosovou kapalinu, přenáší z motoru na hnaný hřídel.
Konstrukce a princip fungování hydrodynamického měniče
Hydrodynamický měnič obvykle spolupracuje s planetární automatickou převodovkou, avšak někdy se montuje i do vozidel s plynule měnitelným převodem. Má složitější konstrukci a vyšší koeficient výkonnosti (COP) než hydrodynamická spojka. I když se při sériové výrobě jeho součástek musí pracovat s extrémní přesností, jeho užitná hodnota v porovnání s hydrodynamickou spojkou je mnohem vyšší.
Hydrodynamický měnič se skládá z těchto hlavních částí:
- oběžné kolo neboli čerpadlo poháněné přímo motorem;
- turbína hydraulicky poháněná čerpadlem, spojená s vstupním hřídelem převodovky;
- stator (reaktor – násobič momentu) na volnoběžné spojce;
- spojka blokování měniče neboli blokovací spojka, mechanicky spojuje čerpadlo s turbínou, její úlohou je zvýšit účinnost přenosu výkonu z motoru. Je umístěna uvnitř hydrodynamického měniče a je složena z následujících částí:
- píst a opěrná deska;
- spojková lamela/tlumič (umístěná mezi pístem a opěrnou deskou) na drážkování turbíny měniče.
Hydrodynamický měnič je ve své podstatě hydrodynamická spojka, do níž byl vložen reakční prvek, tj. třetí lopatkové kolo (stator). S hydrodynamickým měničem je stator spojen přes jednosměrnou spojku (může se otáčet pouze jedním směrem). Čerpadlo je spojeno s hnacím kolem motoru, lopatky turbínového kola uvádějí do pohybu přenosovou kapalinu vyplňující vnitřní prostředí hydrodynamického měniče. Přenosová kapalina uskutečňuje dva druhy pohybu: přenosný – od lopatek čerpadla k lopatkám turbíny a poměrový – od centra čerpadla k jeho obvodu (v důsledku odstředivých sil). Při nízkých otáčkách hřídele motoru přenosová kapalina zasahuje vnitřní povrch statoru a přiměje ho k rotaci. Lopatky statoru navádějí přenosovou kapalinu na lopatky turbíny, díky čemuž se využívá kinetická energie jak přenosného tak poměrového pohybu přenosové kapaliny, což zvyšuje celkovou účinnost mechanismu. Část kinetické energie přenosové kapaliny, která není převedena na mechanickou energii turbíny, se přes lopatky statoru vrací na lopatky čerpadla, v důsledku čehož dochází ke zvýšení točivého momentu. Se zvyšující se rychlostí vozidla jednosměrná spojka snižuje frekvenci rotace statoru s cílem blokovat ho. K takému stavu dochází, když frekvence otáček klikového hřídele motoru se rovná přibližně třem čtvrtinám z maxima. Hydrodynamický měnič přejde do režimu zastavení, v němž se stator na redistribuci pohybu přenosové tekutiny nepodílí.
Lopatky statoru i turbíny mají specifický tvar. V momentu, kdy je průtok přenosové kapaliny naváděn na rubovou stranu lopatek statoru, díky čemuž se stator zaklíní a zůstane nehybný, předává na lopatky oběžného kola maximální množství zbytkové energie přenosové kapaliny, která vzniká při rotaci turbínového kola. Tento provozní režim hydrodynamického měniče zabezpečuje maximální přenos točivého momentu. Například při rozjezdu vozidla hydrodynamický měnič zvyšuje točivý moment prakticky trojnásobně. V momentě rozběhu (zrychlení) automobilu tedy měnič vykonává užitečnou práci, ale při rovnoměrném pohybu vozidla je jeho použití bezúčelné.
Podle míry rozběhu vozidla, skluz rotace turbínového kola v poměru k oběžnému klesá, až nastane moment, kdy průtok kapaliny kolo statoru zvedne a začne ho otáčet ve směru jednosměrné spojky. Hydrodynamický měnič přestává násobit točivý moment a přejde do režimu normální hydrodynamické spojky. V tomto režimu má účinnost, která nepřesahuje 85%, což vede k uvolňování nadměrného tepla a zvyšování spotřeby paliva. Aby se zvýšení spotřeby paliva zabránilo, hydrodynamické měniče se vybavují automatickou blokovací spojkou. Blokování se aktivuje, když rychlost vozidla dosáhne asi 70 km/h.
Když je blokovací spojka odpojená, točivý moment je do turbíny přenášen přes tlumicí pružiny blokovací spojky. V stavu zapojení blokovací spojky, její píst tlačí opěrnou desku k třecímu obložení, tímto dochází k hladkému vyrovnání rotace hnacího a hnaného hřídele, a následně k jejich blokování, což má za následek, že točivý moment se přímo z motoru přenáší na mechanismy transmise.
Blokovací spojka je mechanicky spojena s turbínou, nicméně, může se pohybovat doleva a doprava. Pro její posunutí doleva, je potřeba, aby se průtok přenosové kapaliny přiváděl do prostoru mezi deskou a tělesem hydrodynamického měniče. Tento průtok zabezpečí mechanické rozpojení blokovací spojky a turbíny, což má za následek, že opěrná deska nijak neovlivňuje funkci hydrodynamického měniče. Když vozidlo dosáhne vysoké rychlosti, na speciální „příkaz“ ovládaní funkce automatické převodovky, průtok přenosové kapaliny zatlačí opěrnou desku vpravo k tělu hydrodynamického měniče. Pro zvýšení síly spojení se na vnitřní stranu pouzdra nanáší třecí vrstva. Dochází tedy k mechanickému blokování čerpadla i turbíny, hydrodynamický měnič přestává plnit svou funkci, motor se pevně spojí s vstupní hřídelí automatické převodovky a přenos točivého momentu se uskutečňuje přímo. Při sebemenším brzdění vozidla se blokování samozřejmě okamžitě vypne. Existují i jiné způsoby, blokování hydrodynamického měniče, ale podstata všech je tatáž, a spočívá v eliminaci poměru rotace turbíny a čerpadla.
V automatickém přenosu se točivý moment plně přenáší přes hydrodynamický měnič na první, druhý rychlostní stupeň a na zpátečku. Na třetí rychlostní stupeň kolem 40 % točivého momentu je přenášeno prostřednictvím hydrodynamického měniče a 60 % s vypnutým hydrodynamickým měničem přímo na automatickou převodovku (poté, co se dosáhla rychlost vozidla 70 km/h). Ve čtvrtém rychlostním stupni hydrodynamický měnič do přenosu točivého momentu není zapojen.
Výhody a nevýhody hydrodynamické spojky a hydrodynamického měniče
Hlavní předností je možnost plynule měnit točivý moment sloužící na přenos výkonu z motoru. Jinou předností těchto zařízení je skutečnost, že míra maximálního předávaného točivého momentu je ohraničena. Hydrodynamická spojka ani hydrodynamický měnič nikdy nemohou předat nadmíru velký točivý moment, tj. taký, který by poškodil mechanismy transmise. Chrání proti přetížení motoru (zejména při startu). Hydrodynamický měnič slouží jako tlumič vibrací motoru. Přítomnost blokovací spojky hydrodynamického měniče na vozidlech s automatickou převodovkou, dovoluje realizovat režim brzdění motorem a zvyšuje efektivitu.
Největší nevýhodou obou zařízení, v porovnání se zařízením s pevným mechanickým propojením hnacího a hnaného hřídele, je jejich nízká účinnost. Část točivého momentu v nich se vynakládá, jak již bylo řečeno výše, na míchání přenosové kapaliny. Místo přeměny na potřebný točivý moment na výstupním hřídeli se rotační energie transformuje na teplo, což vede ke zvýšené spotřebě paliva.
Závěr
Hydrodynamický měnič je jedním z nejdůležitějších vnitřních zařízení automatické převodovky. Jeho porucha může způsobovat nejenom nepohodlí při jízdě, v podobě otřesů, ale může způsobit i úplnou ztrátu automatické převodovky.
