Vaihteistot

Vaihteisto siirtää moottorin kampiakselista tulevan pyörimisen eteenpäin kussakin nopeudessa sopivassa suhteessa. Esimerkiksi auton ollessa pysähdyksissä pyörimistä täytyy pienentää ja 100 kilometrin tuntivauhtia ajettaessa sitä täytyy suurentaa. Vaihteistot eroavat sen mukaan, kuinka automaattisesti ne toimivat ja miten paljon niissä on välityssuhteita.

Voimansiirtoa käsittelevän juttusarjan osat

  1. Voimansiirron rakenne
  2. Etuveto, takaveto, neliveto ja Ackermann
  3. Välityssuhteet
  4. Kytkimet ja momentinmuunnin
  5. Vaihteistot
  6. Akselit
  7. Tasauspyörästöt

Vaihteiston tarkoitus

Moottorin kampiakselin pyöriminen välitetään pyöriin, jolloin ne saadaan pyörimään ja auto liikkumaan. Autoissa käytetään vielä useimmiten polttomoottoria, ja sen kampiakseli pyörii yleensä vähintään 600 kierrosta minuutissa. Pyörimisen nopeus voi kasvaa jopa 7 000–8 000 kierrokseen minuutissa. Auton pyörien nopeus taas on auton ollessa pysähdyksissä 0 kierrosta minuutissa, ja nopeus voi kasvaa 1 800 kierroksen tietämille minuutissa. Ilman vaihteistoa näinkin merkittävän erilaisilla nopeuksilla pyöriviä osia olisi todella hankala liittää toisiinsa.

Vaihteisto perustuu välityssuhteisiin. Jos esimerkiksi manuaalisen vaihteiston ykkösvaihteen välityssuhde on 3:1, pitää kampiakselin pyörähtää 3 kertaa jokaista tasauspyörästöön menevän akselin pyörähdystä kohti. Kun ykkösvaihdetta käytetään liikkeelle lähdettäessä, välittyy pyöriin enää pieni osa moottorin pyörimisestä. Toisaalta vääntö on kasvanut suureksi, minkä ansiosta liikkeelle lähteminen ja kiihdyttäminen onnistuu. Jos 3-vaihteen välityssuhde olisi 1:1 ja sillä koittaisi lähteä liikkeelle, yrittäisi silloin saada paikallaan olevia pyöriä kulkemaan heti 1 000 kierrosta minuutissa.

Vaihteistojen tyypit

Vaihteistot jakautuvat periaatteessa yksinkertaisesti manuaalisiin ja automaattisiin; joskin täysin manuaalisten ja automaattisten lisäksi on osittain manuaalisia ja automaattisia vaihteistoja. Lisäksi sekä manuaalisten että automaattisten vaihteistojen rakenteissa on eroja.

Manuaaliset Automaattiset
  • täysin manuaalinen vaihteisto
  • synkronoimaton täysin manuaalinen vaihteisto
  • kuorma-autojen automatisoidut manuaaliset vaihteistot
  • sekventaalinen vaihteisto
  • täysin automaattinen vaihteisto
  • automaattinen vaihteisto, jossa kuljettaja voi valita isomman ja pienemmän vaihteen (mm. Tiptronic)
  • kaksoiskytkinvaihteisto (DCT, DSG)
  • portaaton vaihteisto eli CVT

Manuaaliset vaihteistot

Kaikkein tavanomaisimmassa manuaalisessa vaihteistoissa on kytkin ja vaihdekeppi, ja kuljettaja hallinnoi niitä molempia. Kytkimellä kuljettaja katkaisee voiman siirtymisen moottorin kampiakselista vaihteistoon, jolloin hän voi pysäyttää auton tai vaihtaa vaihteita. Tavanomaisessa vaihteistossa kuljettaja voi vaihtaa esimerkiksi 2-vaihteelta 4-vaihteelle eli loikkia vaihteiden yli, mutta sekventaalisessa hän voi valita vain seuraavaksi isomman tai pienemmän vaihteen. Tällaisia vaihteistoja on muun muassa moottoripyörissä.

Tavanomainen manuaalivaihteisto koostuu akseleilla olevista hammaspyöristä. Vaihteistoon tulee moottorista akseli, jonka päässä on hammaspyörä. Hammaspyörä ja akseli pyörivät kiinteästi. Hammaspyörä pyörittää apuakselin päässä olevaa hammaspyörää, jolloin koko apuakseli ja kaikki siinä olevat hammaspyörät pyörivät moottorin kampiakselin mukana.

vaihteistot perusmanuaalin rakenneApuakselin hammaspyörät ovat kosketuksissa tasauspyörästöön menevän akselin hammaspyörien kanssa. Kullekin vaihteelle on oma hammaspyörien pari. Tasauspyörästön akselin hammaspyörät on kuitenkin laakeroitu, eli ne pyörivät erillään akselista. Sen sijaan holkit pyörivät akselin mukana.

Kun kuljettaja asettaa vaihteen, hän yksinkertaisesti siirtää holkin kiinni hammaspyörään. Tällöin holkki alkaa pyöriä hammaspyörän mukana, ja koska holkki on kiinteästi tasauspyörästöön menevässä akselissa, siirtyy voima tasauspyörästöön ja sieltä pyöriin.

Peruutusvaihteen hammaspyörien välissä on pieni ylimääräinen hammaspyörä. Koska se on kahden hammaspyörän välissä, muuttuu pyörimisen suunta. Jos peruutusvaihdetta yrittää kytkeä auton liikkuessa eteenpäin, holkki yrittää kiinnittyä vastakkaiseen suuntaan pyörivään hammaspyörään. Tästä kuuluu rusahdus, ja hampaat kuluvat turhaan.

Synkronointi

Useimmiten vaihteistot ovat synkronoituja. Tällöin holkkien ja hammaspyörien rakenne on sellainen, että holkki ja hammaspyörä ovat kosketuksissa vähitellen ennen kuin hampaat kytkeytyvät toisiinsa. Koska vaihdetta vaihdettaessa kytkin on irti ja apuakseli pyörii vapaasti, voi holkki muuttaa apuakselin pyörimisnopeuden samaksi. Holkki itsessäänhän pyörii sen mukaan, miten nopeasti renkaat pyörivät.

Jos synkronointia ei ole, kuljettajan on sovitettava kampiakselin pyörimisnopeus eli moottorin kierrokset sellaisiksi, että sekä hammaspyörä että holkki pyörivät samalla nopeudella. Lisäksi kuljettajan on painettava kytkinpoljinta kaksi kertaa vaihtaessaan vaihdetta. Synkronoimattoman vaihteiston etuna on vaihteiden vaihtamisen nopeus, sillä vaihteita vaihdettaessa ei tarvitse odottaa holkin ja hammaspyörän nopeuksien tasoittumista.

Kuorma-autojen vaihteistot

Kuorma-autojen vaihteistot voi jakaa manuaalisiin ja automaattisiin vaihteistoihin sen perusteella, millaista niiden käyttäminen on. Kun kuorma-autossa on manuaalinen vaihteisto, siihen kuuluu toki kytkinpoljin ja vaihdekeppi. Kytkimessä on tavanomaisesti vain yksi levy, ja vaihteistossa on akseleita ja hammaspyöriä samaan tapaan kuin kevyessä kalustossa.

Kun vaihteisto on automaattinen, ei ohjaamossa ole kytkinpoljinta lainkaan ja auton liikuttamiseksi kuljettajan tarvitsee vain laittaa vaihdekeppi D-asentoon ja painaa kaasua. Rakenteeltaan vaihteisto ei kuitenkaan ole samanlainen kuin kevyessä kalustossa, eli kuormurin voimansiirrossa ei ole momentinmuunninta kytkimen ja planeettapyörästöä hammaspyöristä koostuvan vaihteiston tilalla. Automatiikka vain käyttää kytkintä ja siirtelee hammaspyöriä.

Automaattiset vaihteistot

Automaattivaihteisessa autossa ei ole kytkinpoljinta, ja vaihdekepissä on asennot pysäköinnille, eteenpäin ajamiselle ja peruuttamiselle. Kuljettaja hallitsee autoa ainoastaan kaasua ja jarrua painamalla. Kytkimen sijaan voimansiirrossa on momentinmuunnin, joka välittää voimaa moottorin kierrosluvun mukaisesti. Vaihteiston rakenne on täysin erilainen, eikä siinä varsinaisesti ole erillisiä vaihteita.

Monissa automaattisissa vaihteistoissa on niin sanottu manuaalialue tai -toiminto. Kun vaihdekepistä tämän toiminnon valitsee, voi kuljettaja pyytää vaihteistoa vaihtamaan isommalle tai pienemmälle. Todennäköisesti järjestelmä ei kuitenkaan suostu tottelemaan pyyntöjä milloin tahansa. Jos esimerkiksi moottorin kierrokset nousisivat pienemmälle vaihdettaessa tiettyä rajaa korkeammalle, ei järjestelmä kuljettajan pyynnöstä huolimatta vaihdetta vaihda.

Automaattinen vaihteisto on planeettapyörästö. Hammaspyörät ovat samanlaisessa muodostelmassa ja liikkuvat toisiinsa nähden samankaltaisesti kuin planeetat ja aurinko.

Planetary_gearset_Finnish_captionsKäyttämällä tietynlaisia kytkimiä ja hihnoja vaihteistoa ohjaava järjestelmä muuttaa sitä, mitkä hammaspyöristä pyörittävät ja mitkä pyörivät. Tätä kautta taas määräytyy se, mistä voima tulee vaihteistoon ja mistä se kulkeutuu tasauspyörästöön. Moottori esimerkiksi pyörittää aurinkopyörää, ja kehäpyörästä voima kulkeutuu tasauspyörästöön, tai moottori pyörittää kehäpyörää, ja aurinkopyörästä voima kulkeutuu tasauspyörästöön. Näin määräytyy välityssuhde.

Planeettapyörästön toiminta ja varsinkin välityssuhteen määräytyminen on monimutkainen asia, ja vihiä voi saada tästä englanninkielisestä videosta:

Manuaalisen ja automaattisen vertailu

Vaihteisto Hyvät puolet Huonot puolet
Manuaalinen
  • Voi olla taloudellinen
  • Yksinkertainen rakenne
  • Mahdollistaa heijaamisen
  • Enemmän vaihteita
  • Moottorilla jarruttaminen tehokkaampaa
  • Hankala oppia käyttämään
  • Kytkin rasittuu varsinkin ylämäkiin lähdettäessä liikkeelle
  • Vaihdot hitaita
Automaattinen
  • Helppo käyttää
  • Ei kytkintä
  • Vaihtaa nopeasti
  • Ei vaihda virheellisesti
  • Kalliimpi
  • Monimutkainen rakenne

Kaksoiskytkinvaihteisto ja CVT

Kaikissa autoissa automaattivaihteisto ei välttämättä koostu momentinmuuntimesta ja planeettapyörästöstä, vaikka yleisin ratkaisu se toistaiseksi on ollut. Kaksoiskytkinvaihteisto on rakenteeltaan itse asiassa samankaltainen manuaalisen vaihteiston kanssa.

Vaihteistossa on kaksi kytkintä sisäkkäin. Ulkopuolinen kytkin on suurempi ja siitä kulkeutuu voima parittomille vaihteille. Sisäpuolinen kytkin taas on pienempi ja se välittää voiman parillisille vaihteille. Samaan aikaan kun toinen kytkin on irtoamassa vauhtipyörästä, on toinen kiinnittymässä siihen. Näin voiman kulku pyöriin on katkotonta, ja itse vaihtaminen kestää millisekunteja.

CVT:ssä on äärettömän monta välityssuhdetta eikä siinä ole erillisiä vaihteita lainkaan. CVT voidaan toteuttaa monin tavoin, joista yksi on hihnojen käyttäminen. Moottorista tulevan akselin ja tasauspyörästöön menevän akselin päässä on kaksi vastakkain olevaa kartiota. Kartioiden välillä kulkee kiilahihna. Kun kartiot siirtyvät lähemmäksi toisiaan tai kauemmaksi toisistaan, hihnan liikuu ylös ja alas. Tämä hihnan liikehdintä kummankin akselin päissä olevien kartioiden välissä saa aikaan eri välityssuhteita.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *