Voimansiirto - erilaiset vaihteistot

Päivän aiheena oli voimansiirto ja muutamat tunnetummat vaihteistot sekä niiden rakenne. Seuraavaksi kuvailen perinteistä manuaalista vaihteistoa, planeettapyörästö automaattivaihteistoa, CVT-vaihteistoa ja DSG-vaihteistoa. Voimansiirrosta kun puhutaan, tarkoitetaan sitä järjestelmää, jolla saadaan moottorin voima siirrettyä ajoneuvon pyöriin.

Hyvin karkealla tasolla voimansiirron komponentit ovat moottorista lukien kytkin, vaihdelaatikko, vetopyörästö, vetonivelistö ja pyörät. Tällä erää kuitenkin keskityn vaihteistoihin, joita on useanlaisia ja monella valmistajalla on omanlaisensa. Pääpiirteittäin kuitenkin esim. manuaalinen vaihteisto on hyvin samantyyppinen.

Vaihteistoa tarvitaan autossa välittämään moottorin voimaa vetäville pyörille ja oikealla välityssuhteella. Moottorista tulee saada suuri vääntö vetäviin pyöriin liikkeelle lähdettäessä ja kovassa vauhdissa pyörintänopeutta tarvitaan enemmän. Kuvittelepa ajavasi autoa joka hetki pelkällä 3-vaihteella. Liikkeellelähtö voi olla liki mahdotonta, kun taas toisessa ääripäässä moottori huutaa armoa hirvittävillä kierroslukemilla, mutta auto ei välttämättä kiihdy tahtomaasi nopeuteen. Vaihteiston tehtävä siis on antaa erilaisia välityssuhteita käytettäväksi erilaisissa tilanteissa.

Manuaalinen vaihteisto

Manuaalivaihteisto koostuu useista hammaspyöristä, akseleista ja vaihteenvalitsimista. Tutuin väline tavalliselle autoilijalle on vaihdekeppi ohjaamossa, jota käytetään vaihteen valitsemiseen. Vaihdekeppi on yhteydessä suoraan vaihdelaatikkoon, jossa vaihteenvalitsimet tekevät työtä. Vaihteenvalitsimella siirretään ns. kytkentärengas kulloisenkin vaihteen hammaspyörän hampaisiin, jonka välityssuhde saadaan vietyä vetoakselille ja auton pyöriin.

Manuaalivaihteiston kaaviokuva. Kuva: HowStuffWorks

Harjoitusvaihteisto, jonka kyljestä on otettu pala pois, jotta sisältöä on helppo tutkia. Keskellä rataksia näkyvä sileä ratas on ns. kytkentärenga, jota liikutetaan vaihteenvalitsimella. 

Jokaisen vaihteen rinnalla on synkronoiva rengas (messingin värinen kuvassa), jonka rooli vaihteistossa on tehdä vaihteen valitsemisesta sujuvaa ja mutkattomampaa. Kytkintä painettaessa synkro painautuu vaihderengasta vasten, jolloin ne tasaavat pyörimisliikettä ja vauhtia keskenään. Tällöin saadaan liu'utettua valitsimella kytkentärengas synkron ylitse vaihderenkaan hampaille. Vaihde kytkeytyy.

Automaattivaihteisto - planeettapyörästö

Perinteinen automaattivaihteisto koostuu planeettapyörästöstä, jossa tärkeimpiä osia ovat mm. planeettapyörät, aurinkopyörä ja kehäpyörä. Jo kahdella pakalla planeettapyörästöjä yhdessä vaihteistossa voidaan saavuttaa sopiva määrä välityksiä. Näiden lisäksi vaihteistossa on mekaaninen pysäköintisalpa, joka mekaanisesti lukitsee vaihteiston hammaskehältä. Onkin tärkeää, ettei pysäköintisalpaa kytke ennen kuin auto on kokonaan pysähtynyt, koska se voi vahingoittaa vaihteistoa tai vaihtoehtoisesti salpa voi rikkoontua.

Muilta osin vaihteisto koostuu monista hydraulisista komponenteista, joihin kuuluu mm. momentinmuunnin, sähköhydraulinen ohjausyksikkö ja kytkentäosat. Automaattivaihteistossa on tärkeää hyvä öljynkierto ja vaihteistoille onkin omat vaatimuksensa öljyn ominaisuuksilta ja niissä tulee käyttää vain automaattivaihteistoihin tarkoitettua öljyä.

Käytännössä planeettapyörästön toiminta kiteytyy eri pyörien lukitsemiseen paikalleen eri välityssuhteiden aikaansaamiseksi. Jos kaksi komponenttia lukitaan yhtäaikaisesti, lukitsee se koko pyörästön, jolloin välityssuhde on 1:1. Riippuen siitä, mikä pyöristä lukitaan ja mikä tuottaa voiman eteenpäin akselille, määrittää tuotettavan välityssuhteen.

Riippumatta vaihteiston tilasta moottorin tulee aina päästä vapaasti pyörimään. Manuaalivaihteistossa kytkin erottaa vaihteiston moottorista, mutta automaattivaihteistossa momentinmuunnin toimii välikappaleena. Momentinmuuntimen tarkoitus on muuntaa vääntömomenttia ja se toimii hydraulisesti öljyn voimalla.

Momentinmuuntajan halkaisukuva. Kuvassa näkyy turbiini- ja pumppupyörien siivekkeet.

DSG, eli kaksoiskytkinvaihteisto

Kaksoiskytkin vaihteistossa on kaksi rinnakkain toimivaa kytkintä, jotka mahdollistavat pehmeän ja lähes nykäyksettömän vaihteen vaihtamisen liikkeessä. Järjestelmä tunnistaa liikkeen ja pyrkii ennakoimaan kytkemällä seuraavan vaihteen rinnakkaiseen kytkimeen jo ennalta. Mikäli auto pyrkii hidastamaan vauhtia rinnakkaiseen kytkimeen vaihdetaan alempi vaihde valmiiksi tai päinvastoin. Toinen kytkin kytkee parittomat, toinen parilliset vaihteet. Kaksoiskytkinvaihteistossa ei käytetä edellä mainittua momentinmuunninta vaan kytkinpakkoja.

Kaksoiskytkinvaihteisto.

CVT, eli portaaton vaihteisto

Suurin kehityksen tavoite CVT:n osalta on ollut luoda vaihteisto, jonka avulla voidaan pysyä mahdollisimman tiiviisti tehokkaimman kierrosalueen piirissä tilanteesta riippumatta. CVT toimii variaattorin tapaan hihnalla, mutta automalleissa käytetään metallihihnaa, joka toimii työntävästi.

Oheinen animaatio hieman valottaa variaattorin toiminnan periaatetta. Siinä on kaksi kartiopyöräpakkaa, joiden välissä metallihihna kulkee. Pakkojen lautasten välistä etäisyyttä kasvattamalla ja lyhentämällä voidaan vaikuttaa välityssuhteeseen.

Kuva: Wikipedia

Jekku