MixanikosOse: Υδραυλικά κιβώτια - (μετατροπέας ροπής - μηχανισμός αναστροφής πορείας

Σε προηγούμενή μας ανάρτηση Αρχή λειτουργίας υδραυλικών κιβωτίων μετάδοσης κίνησης είδαμε την αρχή λειτουργίας ενός υδραυλικού κιβωτίου. Σε αυτήν την ανάρτηση θα δούμε λίγο πιο αναλυτικά τους επιμέρους μηχανισμούς ενός υδραυλικού κιβωτίου.

Ο μετατροπέας ροπής (torque converter)

Ο μετατροπέας ροπής είναι το βασικότερο εξάρτημα ενός υδραυλικού κιβωτίου. Αποτελείται από τα ακόλουθα τμήματα:

- τον στάτη

- την προπέλα (αντλία)

- την τουρμπίνα

- και το μέσο μετάδοσης της κίνησης δηλαδή το λάδι.

Όλα τα παραπάνω εξαρτήματα βρίσκονται μέσα σε ένα κλειστό στεγανό "δοχείο" το οποίο αρχικά θα πρέπει να γεμίσει με λάδι (πλήρωση κιβωτίου). Στη συνέχεια η πρώτη φτερωτή, η προπέλα (impeller) παίρνει κίνηση από τον κινητήρα και αρχίζει να περιστρέφεται. Καθώς περιστρέφεται η αντλία αρχίζει να παρασύρει με τα πτερύγιά της το λάδι το οποίο με τη σειρά του μεταδίδει την κίνησή του στα πτερύγια της δεύτερης φτερωτής, της τουρμπίνας (turbine) που βρίσκεται ακριβός απέναντι από την προπέλα, που συνδέεται με τον τροχοφόρο άξονα (το φορτίο). Το λάδι αφού επιβραδυνθεί μεταφέροντας την ορμή του στην τουρμπίνα, στη συνέχεια επιστρέφει μέσω του εξωτερικού δοχείου στην προπέλα για να περιστραφεί και πάλι από αυτήν ολοκληρώνοντας τον κύκλο του.

Στην αριστερή πλευρά (είσοδος ή αλλιώς παροχή ισχύος στον μετατροπέα) είναι συνδεδεμένος ο πετρελαιοκινητήρας. Στην δεξιά πλευρά είναι συνδεδεμένος ο άξονας (με πράσινο χρώμα) που μεταδίδει κίνηση τελικά στον τροχοφόρο άξονα (το φορτίο). Κάθε μετατροπέας ροπής είναι κατασκευασμένος για μια συγκεκριμένη ταχύτητα κίνησης. Σε διαφορετικές "περιοχές" ταχύτητας πέφτει πολύ η απόδοση της ροπής που μεταδίδεται τελικά από τον κινητήρα στον τροχοφόρο άξονα.

Κατά την επιτάχυνση η αύξηση της ολίσθησης έχει ως αποτέλεσμα τον πολλαπλασιασμό της ροπής ενώ σε κατάσταση σταθερής λειτουργίας δεν υπάρχει ολίσθηση μεταξύ των δύο φτερωτών, οπότε ο λόγος μετάδοσης του μετατροπέα ροπής είναι 1:1.

Για το λόγο αυτό ένα υδραυλικό κιβώτιο συνήθως περιλαμβάνει περισσότερους από έναν μετατροπείς ροπής ώστε να βελτιστοποιείται η μετάδοση ροπής για διαφορετικές ζώνες ταχύτητας. Ο αριθμός των μετατροπέων ροπής σε ένα κιβώτιο προδίδει και τον αριθμό των ταχυτήτων του κιβωτίου. Με ένα συνδυασμό γραναζιών και μετατροπέων ροπής αυξάνουμε την συνολική απόδοση ενός υδραυλικού κιβωτίου.

Στο διπλανό διάγραμμα βλέπουμε ένα κιβώτιο της εταιρίας voith με δυο ταχύτητες (δηλαδή με δυο μετατροπείς ροπής). Παρατηρούμε ότι οι δύο μετατροπείς έχουν διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά (ο πρώτος είναι μεγαλύτερος από το δεύτερο). Η κίνηση έρχεται από τον πετρελαιοκινητήρα που βρίσκεται στην αριστερή πλευρά του κιβωτίου μέσω του κόκκινου άξονα, ενώ η μετάδοση κίνησης από το κιβώτιο στον τροχοφόρο άξονα γίνεται από τη δεξιά πλευρά και συγκεκριμένα από τον άξονα με το μπλε χρώμα. Στο συγκεκριμένο στιγμιότυπο δεν έχει γίνει ακόμη πλήρωση του κιβωτίου με λάδι και έτσι δεν είναι δυνατή η μετάδοση κίνησης. Το λάδι φαίνεται με κίτρινο χρώμα και είναι συγκεντρωμένο στον πυθμένα του κιβωτίου.

Στο ακόλουθο διάγραμμα έχει γίνει η πλήρωση του πρώτου μετατροπέα με λάδι (δηλαδή της πρώτης ταχύτητας). Ενώ η προπέλα περιστρέφεται και στους δύο μετατροπείς μόνο ο πρώτος έχει γεμίσει με λάδι (κίτρινο χρώμα) και έτσι μόνο αυτός βρίσκεται σε λειτουργία και μεταδίδει κίνηση με συγκεκριμένη σχέση μετάδοσης.

Επίσης στο επόμενο διάγραμμα έχει γίνει η πλήρωση με λάδι του δεύτερου μετατροπέα έλξης (δεύτερη ταχύτητα) οπότε το κινούμενο όχημα έχει περάσει στη δεύτερη ζώνη ταχυτήτων και από τη μεταβολή της πίεσης του λαδιού το κιβώτιο άλλαξε αυτόματα ταχύτητα (εξού και η ονομασία αυτόματο κιβώτιο!!!).

Μηχανισμός αλλαγής ταχύτητας

Η αλλαγή ταχύτητας δηλαδή στην ουσία σημαίνει ότι κάποιος άλλος μηχανισμός αντιλαμβάνεται την αλλαγή στην πίεση του λαδιού και αδειάζει τον πρώτο μετατροπέα από λάδι και ταυτόχρονα γεμίζει το δεύτερο οπότε και αλλάζει η ταχύτητα του κιβωτίου από πρώτη σε δεύτερη. Παρατηρούμε ότι ο δεύτερος μετατροπέας (στην ουσία η δεύτερη ταχύτητα) είναι μικρότερος από τον πρώτο και μεταδίδει καλύτερα τη ροπή σε μεγαλύτερες ταχύτητες (δηλαδή σε περισσότερες στροφές του τροχοφόρου άξονα).

Μηχανισμός αναστροφής πορείας

Στο εσωτερικό ενός υδραυλικού κιβωτίου συμπεριλαμβάνεται συνήθως και ένας μηχανισμός αναστροφής πορείας. Συνήθως η εντολή αναστροφής πορείας δίνεται μέσω πεπιεσμένου αέρα. Ο πεπιεσμένος αέρας μετατοπίζει το μηχανισμό αναστροφής πορείας από τη θέση μπροστά στη θέση πίσω και αντίστροφα. Με τη μετατόπιση αυτή αλλάζει η σειρά των γραναζιών εμπλοκής και έτσι η αλλάζει η φορά περιστροφής του άξονα εξόδου.

Η αλλαγή φοράς αναστροφής επιτρέπεται να συμβεί μόνο κατά την διάρκεια ακινησίας του οχήματος για λόγους ασφαλείας. Για το λόγο αυτό υπάρχει μια βαλβίδα ανίχνευσης ακινησίας του κιβωτίου που επιτρέπει ή απαγορεύει την ενεργοποίηση του μηχανισμού αναστροφής.

Υδροδυναμική πέδη

Τέλος τα υδραυλικά κιβώτια συμπεριλαμβάνουν και ένα μηχανισμό υδροδυναμικής πέδης. Ο μηχανισμός αυτός μοιάζει με το μετατροπέα ροπής μόνο που στην περίπτωση της δυναμικής πέδης η δευτερεύουσα φτερωτή (η τουρμπίνα) είναι σταθερή ακίνητη και κοντράρει στο περιστρεφόμενο λάδι και άρα στον κινητήρα. Κατά την διαδικασία αυτή όμως η ενέργεια του κινητήρα μετατρέπεται σε θερμότητα αυξάνοντας τη θερμοκρασία του λαδιού του κιβωτίου που για το λόγο αυτό πρέπει να ψύχεται σε ειδικό ψυγείο λαδιού. Από κάποια θερμοκρασία και πάνω η λειτουργία της υδροδυναμικής πέδης διακόπτεται.

Θα κλείσουμε με ένα εξαιρετικό εποπτικό βίντεο για την λειτουργία του μετατροπέα ροπής, που γύρισε ο στρατός των ενωμένων πολιτειών Αμερικής πριν από πολλές δεκαετίες: