Welkom terug bij Gearhead 101 - een serie over de basisprincipes van hoe auto's werken voor de neofieten in de auto-industrie.
Omdat je de kunst van mannelijkheid leest, weet je hoe je een versnellingspook moet rijden. Maar weet u wat er zich onder de motorkap afspeelt wanneer u schakelt?
Nee?
Nou, vandaag is je geluksdag!
In deze editie van Gearhead 101 kijken we naar de ins en outs van hoe een handgeschakelde versnellingsbak werkt. Tegen de tijd dat u klaar bent met het lezen van dit stuk, zou u een basiskennis moeten hebben van dit essentiële onderdeel in de aandrijflijn van uw voertuig.
Laten we onze mouwen opstropen en aan de slag gaan.
Opmerking:voordat je leest hoe een transmissie werkt, raad ik je ten zeerste aan om onze Gearhead 101's te bekijken over de ins en outs van motoren en aandrijflijnen.
Voordat we ingaan op de details van hoe een handmatige transmissie werkt, laten we het hebben over wat transmissies in het algemeen doen.
Zoals besproken in onze inleiding over de werking van een automotor, creëert de motor van uw voertuig rotatievermogen. Om de auto te verplaatsen, moeten we die rotatiekracht op de wielen overbrengen. Dat is wat de aandrijflijn van de auto, waarvan de transmissie deel uitmaakt, doet.
Maar er zijn een paar problemen met het vermogen dat wordt geproduceerd door een verbrandingsmotor. Ten eerste levert het alleen bruikbaar vermogen of koppel binnen een bepaald motortoerentalbereik (dit bereik wordt de vermogensband van een motor genoemd). Ga te langzaam of te snel en je krijgt niet de optimale hoeveelheid koppel om de auto in beweging te krijgen. Ten tweede hebben auto's vaak meer of minder koppel nodig dan wat de motor optimaal kan leveren binnen zijn vermogensbereik.
Om het tweede probleem te begrijpen, moet u het eerste probleem begrijpen. En om het eerste probleem te begrijpen, moet u het verschil begrijpen tussen snelheid van de motor en motor koppel .
Het motortoerental is de snelheid waarmee de krukas van de motor ronddraait. Dit wordt gemeten in omwentelingen per minuut (RPM's).
Het motorkoppel is hoeveel draaikracht de motor op zijn as genereert voor een bepaalde rotatiesnelheid.
Een automonteur gaf deze mooie analogie om het verschil tussen motortoerental en motorkoppel te begrijpen:
Stel je voor dat je een motor was en je probeert een spijker in een muur te slaan:
Snelheid =hoe vaak je de spijker in een minuut raakt.
Torque =Hoe hard je elke keer de spijker slaat.
Denk terug aan de laatste keer dat je spijkers sloeg. Als je heel snel aan het hameren was, heb je waarschijnlijk gemerkt dat je de spijker niet met veel kracht sloeg. Bovendien heb je jezelf waarschijnlijk uitgeput van zoveel hectische swingen.
Omgekeerd, als je de tijd zou nemen tussen elke swing, maar ervoor zorgde dat elke swing die je maakte zo hard mogelijk was, zou je de spijker inslaan met minder swings, maar het zou wat langer kunnen duren omdat je niet swingend in een constant tempo.
In het ideale geval zou je een tempo van hameren vinden waarmee je de spijkerkop meerdere keren met een goede hoeveelheid kracht kunt raken bij elke zwaai zonder jezelf te vermoeien. Niet te snel, niet te langzaam, maar gewoon juist.
Welnu, we willen dat de motor van onze auto hetzelfde doet. We willen dat hij draait met de snelheid waarmee hij het benodigde koppel kan leveren zonder zo hard te werken dat hij zichzelf vernietigt. We hebben de motor nodig om binnen zijn vermogensbereik te blijven.
Als een motor onder zijn vermogensband draait, heb je niet het koppel dat je nodig hebt om de auto vooruit te brengen. Als het boven zijn vermogensbereik komt, begint het koppel af te nemen en begint je motor te klinken alsof hij op het punt staat te breken vanwege stress (een beetje zoals wat er gebeurt als je te snel probeert te hameren - je raakt de spijker met minder kracht en je krijgt echt, echt moe). Als u uw motor hebt laten draaien totdat de toerenteller in het rood staat, begrijpt u dit concept als geen ander. Je motor klinkt alsof hij op het punt staat dood te gaan, maar je gaat niet sneller.
Oké, dus je begrijpt de noodzaak om een voertuig in zijn vermogensband te houden, zodat het effectief werkt.
Maar dat brengt ons bij ons tweede probleem:auto's hebben in bepaalde situaties meer of minder koppel nodig.
Wanneer u bijvoorbeeld een stilstaande auto start, heeft u veel vermogen of koppel nodig om het voertuig aan de gang te krijgen. Als je het gaspedaal indrukt, laat je de krukas van de motor heel snel draaien, waardoor de motor ver boven zijn vermogensband gaat en zichzelf mogelijk vernietigt. En de kicker is dat je de auto niet eens zo veel beweegt, omdat het koppel op een motor afneemt als het boven zijn vermogensbereik komt. In deze situatie hebben we veel meer koppel nodig, maar om dat te krijgen, moeten we wat snelheid inleveren.
Oké, wat als je gewoon een heel klein beetje op het gas drukt? Nou, dat zal er waarschijnlijk niet voor zorgen dat de motor snel genoeg draait om in zijn vermogensband te komen, zodat hij het koppel kan leveren om de auto in beweging te krijgen.
Laten we een ander scenario bekijken:laten we zeggen dat de auto heel snel rijdt, zoals wanneer je op de snelweg rijdt. Je hoeft niet zoveel kracht van de motor naar de wielen te sturen, omdat de auto al in een stevig tempo rijdt. Het pure momentum doet veel van het werk. U kunt de motor dus op een hoger toerental laten draaien zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over de hoeveelheid vermogen die aan de wielen wordt geleverd. We hebben meer roterende snelheid nodig naar de wielen gaan, en minder rotatiekracht .
Wat we nodig hebben, is een manier om het vermogen dat door de motor wordt geproduceerd te vermenigvuldigen wanneer dat nodig is (starten vanuit stilstand, een heuvel opgaan, enz.), maar ook om de hoeveelheid vermogen die door de motor wordt verzonden te verminderen wanneer het niet nodig is ( bergafwaarts gaan of heel snel gaan).
Voer de verzending in.
De transmissie zorgt ervoor dat uw motor optimaal draait (niet te langzaam of te snel), terwijl uw wielen tegelijkertijd de juiste hoeveelheid kracht krijgen die ze nodig hebben om te bewegen en de auto te stoppen, ongeacht de situatie waarin u zich bevindt.
Het is in staat om deze effectieve krachtoverbrenging te doen via een reeks tandwielen van verschillende afmetingen die gebruikmaken van de kracht van de overbrengingsverhouding.
In de transmissie bevindt zich een reeks getande tandwielen met verschillende afmetingen die koppel produceren. Omdat de tandwielen die op elkaar inwerken verschillende groottes hebben, kan het koppel worden verhoogd of verlaagd zonder het toerental van het toerental van de motor al te veel te veranderen. Dit is te danken aan de overbrengingsverhoudingen.
Overbrengingsverhoudingen vertegenwoordigen de onderlinge verhouding van de tandwielen in grootte. Wanneer tandwielen van verschillende grootte in elkaar grijpen, kunnen ze met verschillende snelheden draaien en verschillende hoeveelheden kracht leveren.
Laten we eens kijken naar een domme versie van tandwielen in actie om dit uit te leggen. Stel dat je een invoertandwiel hebt met 10 tanden (met invoertandwiel bedoel ik een tandwiel dat de stroom opwekt) verbonden met een grotere uitvoer met 20 tanden (met uitvoertandwiel bedoel ik een tandwiel dat het vermogen ontvangt). Om dat tandwiel met 20 tanden één keer te laten draaien, moet het tandwiel met 10 tanden twee keer draaien omdat het half zo groot is als het tandwiel met 20 tanden. Dit betekent dat hoewel het tandwiel met 10 tanden snel draait, het tandwiel met 20 tanden langzaam draait. En hoewel het tandwiel met 20 tanden langzamer draait, levert het meer kracht, of vermogen, omdat het groter is. De verhouding in deze opstelling is 1:2. Dit is een lage overbrengingsverhouding.
Of laten we zeggen dat de twee tandwielen die met elkaar verbonden zijn even groot zijn (10 tanden en 10 tanden). Ze zouden allebei met dezelfde snelheid ronddraaien en ze zouden allebei dezelfde hoeveelheid kracht leveren. De overbrengingsverhouding is hier 1:1. Dit wordt een "direct drive"-verhouding genoemd omdat de twee versnellingen dezelfde hoeveelheid kracht overbrengen.
Of laten we zeggen dat het invoertandwiel groter was (20 tanden) en het uitvoertandwiel kleiner was (10 tanden). Om het tandwiel met 10 tanden één keer rond te draaien, hoeft het tandwiel met 20 tanden maar half te draaien. Dit betekent dat hoewel het 20-tandige invoertandwiel langzaam en met meer kracht draait, het 10-tandige uitvoertandwiel snel draait en minder vermogen levert. De overbrengingsverhouding is hier 2:1. Dit wordt een hoge overbrengingsverhouding genoemd.
Laten we dat concept terugbrengen naar het doel van de uitzending.
Hieronder vindt u een diagram van de vermogensstroom wanneer de verschillende versnellingen in een voertuig met handgeschakelde vijfversnellingsbak zijn ingeschakeld.
Eerste versnelling. Het is de grootste versnelling in de transmissie en verstrikt in een kleine versnelling. Een typische overbrengingsverhouding wanneer een auto in de eerste versnelling staat, is 3,166:1. Wanneer de eerste versnelling is ingeschakeld, wordt een lage snelheid, maar een hoog vermogen geleverd. Deze overbrengingsverhouding is ideaal om uw auto vanuit stilstand te starten.
Tweede versnelling. De tweede versnelling is iets kleiner dan de eerste versnelling, maar zit nog steeds verstrikt in een kleinere versnelling. Een typische overbrengingsverhouding is 1.882:1. De snelheid wordt verhoogd en het vermogen iets verlaagd.
Derde versnelling. De derde versnelling is iets kleiner dan de tweede, maar nog steeds verstrikt in een kleinere versnelling. Een typische overbrengingsverhouding is 1.296:1.
Vierde versnelling. De vierde versnelling is iets kleiner dan de derde. In veel voertuigen beweegt de uitgaande as tegen de tijd dat een auto in de vierde versnelling staat met dezelfde snelheid als de ingaande as. Deze opstelling wordt 'direct drive' genoemd. Een typische overbrengingsverhouding is 0,972:1
Vijfde versnelling. In voertuigen met een vijfde versnelling (ook wel 'overdrive' genoemd) is deze gekoppeld aan een aanzienlijk grotere versnelling. Hierdoor kan de vijfde versnelling veel sneller draaien dan de versnelling die kracht levert. Een typische overbrengingsverhouding is 0,78:1.
U zou nu dus een basiskennis moeten hebben van het doel van een transmissie:het zorgt ervoor dat uw motor met een optimale snelheid draait (niet te langzaam of te snel), terwijl uw wielen tegelijkertijd de juiste hoeveelheid kracht krijgen die ze nodig hebben om te bewegen en te stoppen de auto, in welke situatie u zich ook bevindt.
Laten we eens kijken naar de onderdelen van een transmissie die dit mogelijk maken:
Ingaande as. De ingaande as komt van de motor. Deze draait met dezelfde snelheid en kracht van de motor.
Puntas. De secundaire as (ook bekend als tussenas) zit net onder de uitgaande assen. De secundaire as is rechtstreeks verbonden met de ingaande as via een tandwiel met vaste snelheid. Wanneer de ingaande as draait, doet de secundaire as dat ook, en met dezelfde snelheid als de ingaande as.
Naast de versnelling die de kracht van de ingaande as haalt, heeft de secundaire as ook verschillende versnellingen, één voor elk van de "versnellingen" van de auto (1e-5e), inclusief achteruit.
Uitgaande as. De uitgaande as loopt parallel boven de secundaire as. Dit is de as die kracht levert aan de rest van de aandrijflijn. De hoeveelheid vermogen die de uitgaande as levert, hangt af van de versnellingen die erop zijn ingeschakeld. De uitgaande as heeft vrij draaiende tandwielen die daarop zijn gemonteerd met kogellagers. De snelheid van de uitgaande as wordt bepaald door welke van de vijf versnellingen in "versnelling" of ingeschakeld is.
1e-5e versnelling. Dit zijn de tandwielen die door lagers op de uitgaande as zijn gemonteerd en bepalen in welke "versnelling" uw auto zich bevindt. Elk van deze versnellingen is constant verstrikt in een van de tandwielen op de secundaire as en draait constant rond. Deze constant verstrikte opstelling is wat je ziet in gesynchroniseerde transmissies of constant mesh-transmissies, die de meeste moderne voertuigen gebruiken. (We zullen ingaan op hoe alle versnellingen altijd kunnen draaien, terwijl slechts één van hen straks de aandrijflijn van stroom voorziet.)
De eerste versnelling is de grootste versnelling en de versnellingen worden steeds kleiner naarmate u in de vijfde versnelling komt. Denk eraan, overbrengingsverhoudingen. Omdat de eerste versnelling groter is dan het secundaire tandwiel waarmee het is verbonden, kan het langzamer draaien dan de ingaande as (onthoud dat de secundaire as met dezelfde snelheid beweegt als de ingaande as), maar meer vermogen leveren aan de uitgaande as. Naarmate u in versnellingen omhoog gaat, neemt de overbrengingsverhouding af totdat u het punt bereikt dat de ingaande en uitgaande assen met dezelfde snelheid bewegen en dezelfde hoeveelheid vermogen leveren.
Nuttelozere versnelling. Het tussentandwiel (soms "achteruitlooptandwiel" genoemd) zit tussen de achteruitversnelling op de uitgaande as en een tandwiel op de secundaire as. Het tussenwiel zorgt ervoor dat uw auto achteruit kan rijden. De achteruitversnelling is de enige versnelling in een gesynchroniseerde transmissie die niet altijd verstrikt is of draait met een tandwiel met secundaire as. Het beweegt alleen wanneer u het voertuig daadwerkelijk in zijn achteruit zet.
Synchronisator halsbanden/mouwen. De meeste moderne voertuigen hebben een gesynchroniseerde transmissie, wat betekent dat de tandwielen die de uitgaande as leveren constant verstrikt zijn in tandwielen op de secundaire as en constant ronddraaien. Maar u denkt misschien:"Hoe kunnen alle vijf versnellingen constant verstrikt raken en constant ronddraaien, maar slechts één van die versnellingen levert daadwerkelijk stroom aan de uitgaande as?"
Het andere probleem dat optreedt wanneer de tandwielen altijd draaien, is dat het aandrijftandwiel vaak met een andere snelheid draait dan de uitgaande as waarmee het tandwiel is verbonden. Hoe synchroniseer je een tandwiel dat met een andere snelheid draait dan de uitgaande as, en op een soepele manier die niet veel slijpwerk veroorzaakt?
Het antwoord op beide vragen:synchrone halsbanden.
Zoals hierboven vermeld, zijn tandwielen 1-5 via kogellagers op de uitgaande as gemonteerd. Hierdoor kunnen alle versnellingen tegelijkertijd vrij ronddraaien terwijl de motor draait. Om een van deze versnellingen in te schakelen, moeten we deze stevig verbinden met de uitgaande as, zodat de kracht wordt geleverd aan de uitgaande as en vervolgens aan de rest van de aandrijflijn.
Tussen elk van de tandwielen bevinden zich ringen die synchronisatiekragen worden genoemd. Op een vijfversnellingsbak zit een kraag tussen de 1e en 2e versnelling, tussen de 3e en 4e versnelling en tussen de 5e en achteruitversnelling.
Telkens wanneer u een auto in een versnelling zet, verschuift de synchronisatiekraag naar de bewegende versnelling die u wilt inschakelen. Aan de buitenkant van het tandwiel bevindt zich een reeks kegelvormige tanden. De synchronisatiekraag heeft groeven om die tanden op te nemen. Dankzij een uitstekende mechanische techniek kan de synchronisatiekraag worden aangesloten op een versnelling met zeer weinig geluid of wrijving, zelfs terwijl de versnelling in beweging is, en de snelheid van de versnelling synchroniseren met de ingaande as. Zodra de synchronisatiekraag is verstrikt in het aandrijftandwiel, levert dat aandrijftandwiel kracht aan de uitgaande as.
Wanneer een auto "neutraal" is, is geen van de synchronisatiekragen verstrikt in een aandrijftandwiel.
Synchronisatiekragen zijn ook visueel gemakkelijker te begrijpen. Hier is een kort filmpje dat uitstekend uitlegt wat er aan de hand is (begint om ongeveer 1:59):
Versnellingspook. De versnellingspook is wat je beweegt om een auto in versnelling te brengen.
Schakelstang. De schakelstangen bewegen de synchronisatiekragen naar de versnelling die u wilt inschakelen. Op de meeste voertuigen met vijf versnellingen zijn er drie schakelstangen. Een uiteinde van een schakelstang is verbonden met de versnellingspook. Aan het andere uiteinde van de schakelstang zit een schakelvork die de synchronisatiekraag vasthoudt.
Schakelvork. De schakelvork houdt de synchronisatiekraag vast.
Koppeling. De koppeling zit tussen de motor en de versnellingsbak van de transmissie. Wanneer de koppeling wordt ontkoppeld, wordt de krachtstroom tussen de motor en de versnellingsbak van de transmissie verbroken. Door deze stroomonderbreking kan de motor blijven draaien, ook al krijgt de rest van de aandrijflijn van de auto geen stroom. Als het motorvermogen is losgekoppeld van de transmissie, is het schakelen veel gemakkelijker en wordt schade aan de transmissieversnellingen voorkomen. Dit is de reden waarom wanneer u schakelt, u het koppelingspedaal indrukt en de koppeling ontkoppelt.
Wanneer de koppeling is ingeschakeld - uw voet komt van het pedaal - wordt het vermogen tussen de motor en de transmissie hersteld.
Dus laten we dit allemaal samenbrengen en doornemen wat er gebeurt wanneer u schakelt in een voertuig. We beginnen met het starten van een auto en schakelen naar de tweede versnelling.
Wanneer u een handgeschakelde auto start, ontkoppelt u de koppeling voordat u de sleutel omdraait door het koppelingspedaal in te drukken. Dit verbreekt de krachtstroom tussen de ingaande as van de motor en de transmissie. Hierdoor kan uw motor draaien zonder de rest van het voertuig van stroom te voorzien.
Met de koppeling ontkoppeld, verplaats je de versnellingspook in de eerste versnelling. Dit veroorzaakt een schakelstang in de versnellingsbak van uw transmissie om de schakelvork te verplaatsen richting eerste versnelling, die is gemonteerd op de uitgaande as via kogellagers.
Dit eerste tandwiel op de uitgaande as is verstrikt in een tandwiel dat is verbonden met een tussenas . De secundaire as is via een tandwiel verbonden met de ingaande as van de motor en draait met dezelfde snelheid als de ingaande as van de motor.
Aan de schakelvork is een synchronisatiekraag bevestigd . De synchronisatiekraag doet twee dingen:1) het bevestigt het aandrijftandwiel stevig op de uitgaande as zodat het tandwiel vermogen kan leveren aan de uitgaande as, en 2) het zorgt ervoor dat het tandwiel synchroon loopt met de snelheid van de uitgaande as.
Zodra de synchronisatiekraag is verstrikt in de eerste versnelling, is de versnelling stevig verbonden met de uitgaande as en staat het voertuig nu in de versnelling.
Om de auto in beweging te krijgen, drukt u licht op het gas (waardoor meer motorvermogen ontstaat) en haalt u langzaam uw voet van de koppeling (die de koppeling inschakelt en het vermogen tussen de motor en de versnellingsbak opnieuw koppelt).
Omdat de eerste versnelling groot is, zorgt dit ervoor dat de uitgaande as langzamer draait dan de ingaande as van de motor, maar meer vermogen levert aan de rest van de aandrijflijn. Dit is te danken aan de wonderen van overbrengingsverhoudingen .
Als je alles goed hebt gedaan, begint de auto langzaam vooruit te rijden.
Als je de auto eenmaal aan de gang hebt, wil je sneller gaan. Maar met de auto in de eerste versnelling kun je niet erg snel gaan omdat de overbrengingsverhouding ervoor zorgt dat de uitgaande as met een bepaalde snelheid draait. Als je het gaspedaal zou indrukken met de auto in de eerste versnelling, zou je de ingaande as van de motor gewoon heel snel laten draaien (en mogelijk de motor beschadigen), maar geen toename van de voertuigsnelheid zien.
Om de snelheid van de uitgaande as te verhogen, moeten we naar de tweede versnelling schakelen. Dus trappen we op de koppeling om de stroom tussen de motor en de versnellingsbak te ontkoppelen en schakelen we naar de tweede versnelling. Dit beweegt de schakelstang met een schakelvork en synchronisatiekraag naar de tweede versnelling. De synchronisatiekraag synchroniseert de snelheid van de tweede versnelling met de uitgaande as en bevestigt deze stevig op de uitgaande as. De uitgaande as kan nu sneller draaien zonder dat de ingaande as van de motor furieus draait om het vermogen te produceren dat de auto nodig heeft.
Voor de rest van de vijf versnellingen is het spoelen, wassen en herhalen.
De achteruitversnelling is de uitzondering. In tegenstelling tot de andere versnellingen waar je kunt opschakelen zonder de auto volledig te stoppen, moet je stilstaan om achteruit te schakelen. Dit komt omdat de achteruitversnelling niet constant verstrikt is in een tandwiel op de tegenas. Om de achteruitversnelling in het bijbehorende secundaire tandwiel te schuiven, moet u ervoor zorgen dat de secundaire as niet beweegt. Om ervoor te zorgen dat de secundaire as niet draait, moet u de auto volledig tot stilstand brengen.
Natuurlijk kun je een voorwaarts rijdende auto in de achteruitversnelling dwingen, maar het zal niet mooi klinken of aanvoelen, en je kunt veel schade aan de transmissie veroorzaken.
Nu, wanneer u uw auto in een versnelling zet, weet u wat er zich onder de motorkap afspeelt. Volgende:automatische verzendingen.
