Tasauspyörästöt

Tasauspyörästön tehtävä on jakaa voimaa pyöriin sekä mahdollistaa pyörien erisuuruiset pyörimisnopeudet. Tasauspyörästö sijaitsee tavanomaisesti akselissa mutta voi olla myös akselien välissä. Akselin toisen pyörän ollessa liukkaalla alustalla tasauspyörästö heikentää auton kykyä edetä, ja siksi tasauspyörästössä voi olla luistonrajoitin tai lukko.

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

Tasauspyörästön toiminta

Tavanomaisessa autossa tasauspyörästö sijaitsee vetävässä akselissa. Vaihdeakselissa voima tulee vaihteistosta suoraan hammaspyörien välityksellä, ja erillisakselissa voiman tuo kardaaniakseli. Tasauspyörästö on ikään kuin haaroitin, sillä se jakaa voiman kohti molempia pyöriä.

Tasauspyörästön toinen tehtävä on antaa pyörien pyöriä eri nopeudella. Kun autolla kaartaa, ulkokehän puoleinen pyörä kulkee samassa ajassa pidemmän matkan kuin sisäkehän puoleinen. Toisin sanoen ulkokehän puoleinen pyörä pyörii nopeammin. Jos akselissa ei olisi tasauspyörästöä – kardaaniakseli vaikkapa pyörittäisi yhtenäistä, pyörästä pyörään kulkevaa tankoa – kaarteessa sisäpuolinen pyörä sutisi tai akseli hajoaisi.

Voimans, PerustasauspyörästöKardaaniakselin päässä on kartion muotoinen hammaspyörä, joka pyörittää tasauspyörästön lautaspyörää. Lautaspyörän kanssa kotelo on yhtenäistä rakennetta, eli lautaspyörä ja kotelo pyörivät aina kiinteästi kardaaniakselin mukana. Sen sijaan kotelon sisällä olevat hammaspyörät mahdollistavat pyörien nopeuksien välisen eron.

Kun toinen pyörä pyrkii pyörimään hitaammin, kotelopyörät alkavatkin pyöriä vetopyörän ympäri eivätkä siis pyöritä sitä. Samaan aikaan kotelopyörät jatkavat toisen vetoakselin hammaspyörän pyörittämistä.

Sutiminen

Tasauspyörästön ongelmat alkavat siinä vaiheessa, kun akselin toinen pyörä on pitävällä pinnalla ja toinen huonommin pitävällä pinnalla. Toisin sanoen renkaan ja sen alustan välinen kitkakerroin ei ole yhtä suuri. Kitkakertoimella ja pyöriin pystysuuntaisesti kohdistuvalla massalla on merkitystä siinä, kuinka herkästi pyörä lyö tyhjää. Käytännössä erilaisilla pinnoilla pyöriin pystysuuntaisesti kohdistuva massa pysyy samana – se on pyörien päällä oleva auton massa –, joten useimmiten merkitystä on vain kitkakertoimen suuruudella.

Jos toinen pyörä on esimerkiksi jään päällä, ei tasauspyörästön kotelopyörien tarvitse suurella voimalla kääntää kyseisen pyörän vetoakselin hammaspyörää saadakseen pyörän pyörimään. Pyörähän alkaa pyöriä, tarkasti sanottuna sutia, helposti jään päällä. Toisaalta sama voima ei enää riitä asfaltin päällä olevan pyörän pyörittämiseen. Kotelopyörät vain pyörivät asfaltilla olevan pyörän vetoakselin hammaspyörän ympäri.

Vääntöä kulkeutuu molempiin pyöriin siis saman verran, mutta kuitenkin vain sen verran, minkä jään päällä olevan pyörän pyörimään saamiseksi pitää olla.

Tasauspyörästön lukko eli TPL

Tasauspyörästön lukko tarkoittaa sellaista tasauspyörästöön kuuluvaa osaa, joka lukitsee tasauspyörästön. Kun tasauspyörästö on lukittu, pyörien pyörimisnopeuteen sekä väännön jakautumiseen tulee muutoksia. Konkreettinen muutos on se, että akselista tulee tavallaan yhtenäinen. Pyörät pyörivät aina samalla nopeudella. Kotelopyörät eivät voi pyöriä jommankumman vetopyörän ympäri.

Otetaan esimerkiksi tuttu tilanne, että saman akselin toinen pyörä on jään ja toinen asfaltin päällä. Ajatellaan pyöriin menevän voiman kasvavan niin suureksi, että jäällä olevan pyörän saisi pyörimään. Pyörä ei kuitenkaan ala pyöriä, koska voima ei riitä asfaltilla olevan pyörän pyörittämiseen. Se taas johtuu siitä, että tasauspyörästö on lukittu ja akseli on yhtenäinen.

Kun voima kasvaa siihen pisteeseen, että asfaltilla oleva pyöräkin alkaa pyöriä, auto liikkuu. Silloin voima on myös kasvanut varsin suureksi, koska se on jäälla olevan pyörän pyörittämiseen vaadittava voima lisättynä asfaltilla olevan pyörän pyörittämiseen vaadittavaan voimaan.

Monelle ristiriitaista voi olla se, että tasauspyörästön ollessa lukittuna voimaa, eli autojen pyörien pyörittämisen tapauksessa vääntöä, ei mene akselin pyöriin yhtä paljon. Onhan jäällä olevan pyörän pyörittämiseen vaadittava voima vähemmän molempien pyörien pyörittämiseen tarvittavan voiman kokonaismäärästä – voimaa ei siis mene 50:50-suhteessa!

Toisin sanoen tasauspyörästön lukolla saa sen edun, että voimaa kulkeutuu pyöriin enemmän. Lisäksi lukolla kiinteäksi lukitusta akselista seuraa se, että jos toinen pyörä on pitävällä pinnalla, voi se saada auton liikkumaan.

Toisaalta tasauspyörästön pitäminen lukittuna silloin, kun pyörien alla on hyvä pito, voi johtaa tasauspyörästön rikkoontumiseen. Lisäksi autoa on vaikea saada kääntymään, jolloin se voi ajautua ulos tieltä.

Tasauspyörästön luistonrajoitin eli TPR

Tasauspyörästön luistonrajoitin on tavallaan osittainen lukko. Sitä kutsutaan myös kitkalukoksi. Se sekä sallii pyörien pyörimisen eri nopeudella että voi jakaa voimaa muussa suhteessa kuin 50:50. Siksi se on lukkoa hieman turvallisempi vaihtoehto mutta ei paranna auton kykyä edetä yhtä paljon.

Luistonrajoitin koostuu tasauspyörästön koteloon lisätyistä painelevyistä sekä kytkinpakoista. Pyöriessään kotelopyörien akseli painattaa painelevyjä sivuille niin, että kytkinpakat painuvat kasaan. Tällöin vetoakselit alkavat pyöriä kotelon mukana. Kun pyörimisnopeudessa on eroa kaarteessa ajettaessa, toisen kytkinpakan kytkinlevyt luistavat. Kun molemmat kytkinlevyt ovat lukittuneet eli akseli on kiinteä, jakautuu vääntöä pitävän pyörän vaatima määrä – siis aivan kuin lukitussa tasauspyörästössä.

Koska kytkinlevyjen lukittuminen riippuu kotelopyörien akselin pyörimisestä, ja sen pyörimiseen vaikuttaa sekä kiihdyttäminen että jarruttaminen, ei TPR kuitenkaan toimi normaalisti kaarteessa, jos samaan aikaan kiihdyttää tai jarruttaa. Jos näin tekee kaarteessa, akseli lukittuu, jolloin joko pyörä tai kytkinlevyt luistavat.

TPR:n heikkous TPL:ään nähden on se, että kun pyörä pyrkii pyörimään niin paljon nopeammin, että se voittaa kytkimien kitkan, lukitus tavallaan poistuu ja väännön määrää sutiva pyörä. Silloin eteneminen todennäköisesti katkeaa.

Akselien välinen tasauspyörästö

Tasauspyörästö voi sijaita myös auton keskellä eli akselien välissä, ja siinä voi myös olla lukko tai luistonrajoitin. Yleisesti automaattisesti sekä jatkuvasti nelivetoisissa autoissa tasauspyörästö on akseliseissa sekä niiden välissä, jotta akselitkin pääsevät pyörimään eri nopeudella ja jotta voimansiirto ei rasittuisi neliveto kytkettynä ajettaessa.

TPL:n ja TPR:n vaihtoehdot

Torsen ja viskokytkin ovat tasauspyörästön luistonrajoittimen vaihtoehtoja. Itse asiassa niissä koko tasauspyörästön rakenne on erilainen. Alla olevassa videossa on animaatio Torsenista.

Joidenkin autojen kykyä edetä haastavammilla alustoilla ei paranna lainkaan tasauspyörästöön liittyvä mekanismi, vaan pyörien sutimista hillitsee auton liukasjärjestelmä. Se voi vähentää pyörän sutimista jarruttamalla sitä ja jakamalla siihen vähemmän vääntöä. Esimerkiksi vuonna 2012 alkaneessa Ford Rangerin sukupolvessa liukasjärjestelmän off-road-tila on korvannut lava-autossa aiemmin olleen tasauspyörästön luistonrajoittimenkin.

Akselit

Ajoneuvon voiman siirtämisessä akselit ovat korvaamattomia osia, sillä ne ovat varsin yksinkertainen tapa siirtää pyörimistä pitkiäkin etäisyyksiä. Auton tunnetuimmat akselit ovat kampiakseli, kardaaniakseli ja vetoakseli, ja siinä melkein kaikki tarpeelliset akselit ovatkin. Pyörät on kiinnitetty akseleihin.

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

Nimityksistä

Akseliksi kutsutaan sellaista umpinaista tai putkimaista tankoa, joka välittää vääntömomenttia pyörimällä ja joka kannattelee pyöriviä osia. Autoissa akseleita onkin monia: Moottorissa on kampiakseli ja vaihteistossa on hammaspyörien akseleita. Joissain autoissa kardaaniakseli siirtää voiman auton puolelta toiselle ja vetoakselit tasauspyörästöstä pyöriin.

Akseli on vakiintunut tarkoittamaan myös ajoneuvon pyöriä kannattelevaa rakennetta. Tällöin ajoneuvossa katsotaan olevan yhtä monta akselia kuin sitä sivusta katsottaessa voidaan nähdä olevan pyöriä. Pyöriä kannatteleva kokonaisuus ei kuitenkaan usein ole vain yhtenäinen tanko, joten akseli-nimitys ei ole täysin johdonmukainen.

Vetävään akseliin kulkee voimaa moottorista. Muuten akseli on vain kannatteleva, koska se vain tukee pyöriä. Kaksivetoisen auton toinen akseli on kannatteleva, ja valinnaisesti nelivetoisen auton akseli on välillä vetävä, välillä kannatteleva.

Vaihdeakseli

Akselin rakenne riippuu siitä, missä auton vaihteisto ja missä vetävät pyörät sijaitsevat. Tavanomaisessa etuvetoisessa autossa vaihteisto ja vetävät pyörät ovat toistensa lähellä, jolloin veto siirtyy pyöriin hammaspyörien välityksellä. Tällöin vaihteisto ja tasauspyörästö muodostavat yhden kokonaisuuden. Akselia kutsun vaihdeakseliksi (englanniksi ”transaxle”).

Vaihdeakselin pyörät ovat useimmiten erillisjousitetut. Tällöin akselin päissä olevat pyörät voivat liikkua pystysuuntaisesti toisiinsa ja akseliin nähden. Tämän näkee alla olevasta videosta. Jos pyörät eivät olisi erillisjousitetut, olisi koko painava akseli jousittamaton, mikä vaikuttaisi auton käsiteltävyyteen.

Kardaaniakseli

Jos vaihteisto ja vetävät pyörät ovat auton eri päissä, pitää voima siirtää auton päästä päähän. Tähän tarkoitukseen käytetään kardaaniakselia eli nivelakselia. Se ei kuitenkaan voi olla täysin yhtenäinen tanko. Kardaani tarkoittaakin niveltä, joka voi välittää pyörimisliikettä mutta voi muuttaa voiman suuntaa. Akseli voi kardaanin kohdalla taittua esimerkiksi 5 asteen kulmaan.

Taipuisuus on tarpeen, koska auton päästä päähän kulkeva tankoon kohdistuu taivuttavia voimia. Lisäksi vaihteiston tai jakolaatikon liitos ei ole välttämättä samassa tasossa kuin tasauspyörästön liitos, jolloin kardaaniakseli on vinossa mutta liitokset ovat pystysuorat.

Ylemmässä kuvassa on ristinivel ja alemmassa murrosnivel.
Ylemmässä kuvassa on kardaani ja alemmassa pitkittäisen jouston mahdollistava liitos.

Joissain autoissa on vaihdeakseli mutta moottori ei kuitenkaan ole samassa auton päässä kuin vaihdeakseli. Tällöin kardaaniakseli siirtää voiman moottorista kytkimen kautta vaihteistoon. Tässä rakenteessa kardaaniakseli rasittuu vähemmän, koska se välittää vain moottorin väännön. Lisäksi vaihteisto lisää massaa vetävän taka-akselin päällä, minkä vuoksi ratkaisu soveltuu urheiluautoihin hyvin.

Erillisakseli

Silloin kun vaihteisto ei ole akselissa kiinni, on kyse erillisakselista. Tällaista akselia kutsutaan joskus jäykäksi. Tällöin kuitenkin tarkoitetaan paremminkin sitä, että akselin pyörät eivät ole erillisjousitetut. Erillisakselissa on kuitenkin joissain tapauksissa erillisjousitus. Useammin erillisakseli koostuu yhtenäisestä akselikotelosta, jonka keskellä on pallomainen kohta. Sen sisällä on tasauspyörästö.

Kun erillisakseli on jäykkä, pyörät liikkuvat aina toisiinsa nähden yhdensuuntaisesti. Kun toinen pyörä vaikkapa painuu monttuun ja kallistuu ulospäin, myös toinen pyörä kallistuu samaan suuntaan. Erillisakselin käyttäytyminen kuoppaisella ajouralla selviää oheisesta videosta:

Nelivetoiset autot

Valinnaisesti nelivetoisissa autoissa jakolaatikko on sijoitettu vaihteiston ja vetävien akselien väliin. Se jakaa voiman akseleihin ja voi myös sisältää alennusvaihteiston. Jakolaatikosta lähtee kardaaniakseli sekä etu- että taka-akseliin. Joissain isoissa nelivetoautoissa jakolaatikko on keskellä ja siihen tulee vaihteistosta lyhyt kardaaniakseli.

Tavanomaisesti valinnaisesti nelivetoisen auton taka-akseli on vetävä ja erillinen. Edessäkin on erillisakseli, mutta se on vetävä nelivedon ollessa kytkettynä. Lisäksi etuakselin pyörät ovat usein erillisjousitetut siksi, että autolla olisi miellyttävämpi ajaa teillä. Tähän on kuitenkin poikkeuksia, sillä esimerkiksi legendaarisen Jeep Wranglerin etuakselikin on jäykkä.

Nissan GT-R
Nissan GT-R:ssä on AWD, mutta omalaatuisesti vaihdeakseli on takana. Vaihdeakselissa on tasauspyörästö, josta lähtee voima kardaaniakselia pitkin etuakseliin.

Uudenaikaisissa automaattisesti nelivetoisissa autoissa voi olla enemmän etuvetoisen auton voimansiirtoa muistuttava rakenne. Moottori ja vaihteisto ovat etuakselin vieressä, eli kyseessä on vaihdeakseli, ja voima kulkee taka-akseliin yhtä kardaaniakselia pitkin. Ensisijaisesti auton etupyörät siis vetävät, jolloin ajotuntuma muistuttaa henkilöauton ajamista. Lisäksi valmistaja voi käyttää paljon samoja osia sekä etuvetoisissa että nelivetoisissa malleissaan.

Moottoripyörät

Moottoripyörissä kardaaniakseli ketjun tai hihnan sijasta on ollut todellisuutta pitkään. Kardaaniakseli on pitkäikäisempi ja vähemmän huoltoa kaipaava vaihtoehto. Voiman suuntaa on kuitenkin usein tarpeellista kääntää 90 astetta. Jotta käännöksiä tarvitsisi olla vain yksi, on moottorin kampiakseli pitkittäin.

Vetoakselit

Vetävissä akseleissa tasauspyörästöstä voima välittyy pyöriin vetoakseleita pitkin. Vetoakseleissakin on niveliä, jotta pyörien ei tarvitse olla kohtisuorassa vetoakseleihin nähden. Tavanomaisessa vaihdeakselissa vetoakselit ovat irrallaan, kun taas erillisakselissa ne ovat akselikotelon sisällä.

Puolikelluva ja kelluva vetoakseliErillisakselin vetoakseleita on kahdenlaisia. Kannatteleva vetoakseli joutuu voiman välittämisen lisäksi kannattelemaan auton massaa. Näinpä se ei sovellu raskaisiin ajoneuvoihin, koska vetoakseli voi vääntyä ja katketa. Vetoakselin päässä on laippa, johon pyörä on pulteilla kiinnitetty.

Vapaa vetoakseli ainoastaan välittää voiman. Se on kokonaan akselin kotelon sisällä, ja kotelo kannattelee auton massaa. Akselin kotelon päässä on erillinen holkki, joka pyörii irrallaan muusta kotelosta. Holkissa on laippa, johon pyörä on pultattu. Koska vetoakseli on kokonaan irrallaan, voi sen vetää vaikka ulos akselikotelosta. Tällöin autolla voisi yhä jatkaa ajamista, koska pyörä pyörisi edelleen kotelon varassa.

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.

Kytkimet ja momentinmuunnin

Kytkimen tehtävä on katkaista voiman kulku moottorista vaihteistoon ja sovittaa moottorin kampiakselin pyörimisnopeus vaihteiston pyörimisnopeuden kanssa. Tällöin vaihteiden vaihtaminen onnistuu ja auto voidaan pysäyttää ja saada liikkeelle ilman nykäyksiä. Kaikkien kytkimien tarkoitus on sama, mutta niiden rakenteissa on eroa. Automaattivaihteisissa autoissa toisaalta ei perinteisesti ole lainkaan kytkintä vaan momentinmuunnin.

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

Yleistä kytkimistä

Tavanomaisesti auton voimansiirto on katkoton, eli myös kytkin on kiinni. Näin on myös vaihteen ollessa vapaalla. Vasta kun kuljettaja painaa kytkinpolkimen pohjaan, irtoaa kytkin ja voimansiirto katkeaa. Jos voimansiirtoa ei voisi katkaista, kulkeutuisi moottorista voimaa auton pyöriin kaikissa tilanteissa. Esimerkiksi jarrutettaessa moottori todennäköisesti lopulta sammuisi.

Ilman kytkintä moottorin kampiakseli pitäisi liittää vaihteistoon suoraan. Kun auto on pysähdyksissä, ei vaihteiston osat pyöri lainkaan mutta kampiakseli pyörii esimerkiksi 800 kierrosta minuutissa. Näin suuri ero pyörimisessä tietäisi varsin nykäisevää lopputulosta, jos kampiakselia ja vaihteistoa alkaisi liittää ilman kytkintä. Kytkin siis tasoittaa pyörimisnopeuksien eron, koska kytkin kytkeytyy kampiakseliin vähitellen.

Kytkintehostin

Mopojen kytkintä käytetään ohjaustangossa olevalla kahvalla. Kuljettaja liikuttaa kahvaa kädellään, ja liike välittyy vaijerilla kytkimeen. Mopon kytkimen kuljettaja siis irrottaa ja kytkee täysin lihastensa voimalla. Tilanne voi olla sama moottoripyörissä, mutta isojen pyörien järjestelmään kuuluu hydraulinen tehostin. Tehostin siis moninkertaistaa kuljettajan käden tuottaman liikkeen, jotta kytkimen käyttäminen vaivattomasti olisi mahdollista.

Myös henkilöautojen ja kevyiden kuorma-autojen kytkimissä on hydraulinen tehostin. Ero kaksipyöräisiin on tosin se, että kuljettaja käyttää kytkintä jalalla. Kytkinpoljinta painettaessa tehostimen pääsylinterin mäntä liikkuu niin, että hydraulinesteen paine tehostimen putkissa kasvaa. Tämä saa kytkinkotelossa olevan työsylinterin liikuttamaan kytkimen holkkia.

Toisessa ääripäässä ovat raskaat ajoneuvot. Niiden kytkimien tehostimet toimivat paineilmalla. Usein itse asiassa kuljettajan tuottamaa voimaa tehostaa hydraulinen järjestelmä, joka taas ohjaa paineilmalla toimivaa tehostinta.

Yksilevykytkin

Tavanomaisin auton kytkin on yksilevykytkin. Se on kiinni moottorin vauhtipyörässä. Vauhtipyörähän pyörii kampiakselin mukana, ja kampiakselin pyörimään ovat saaneet moottorin männät. Tarkalleen ottaen kytkin koostuu kotelosta ja sen sisällä olevista levyistä. Levyjen keskipisteessä on vaihteistoon menevä akseli, joka välittää voiman kytkimestä eteenpäin. Kotelossa on vielä jousi kytkimen irrottamiseksi ja kytkemiseksi.

Alla olevassa kuvassa on kytkin ilman irrottavia osia. Voiman kulkemisen kannalta merkittävintä on se, mitä tapahtuu moottorin vauhtipyörän ja kytkimen yhden levyn, kytkinlevyn, välillä. Kytkinlevy kun on irti vauhtipyörästä, ei voima kulje vaihteistoon.Kytkinlevy irti-kiinniKytkinlevy on kiinteästi kiinni akselissa, joka menee vaihteistoon. Kytkinlevyn pyöriessä pyörii siis vaihteistokin ja voima pääsee kulkemaan eteenpäin. Toisaalta kotelo taas pyörii kiinteästi kampiakselin mukana. Kun kytkinlevy on irti vauhtipyörästä, vauhtipyörä ja kotelo jatkavat pyörimistään, mutta niiden pyöriminen ei vaikuta kytkinlevyyn eikä vaihteistoon menevän akseliin.

Kotelossa on toinenkin levy, ja sen tehtävä on painaa kytkinlevy vauhtipyörää vasten sekä kiskaista levy irti vauhtipyörästä. Kytkinpoljinta painaessaan kuljettaja saa siis painelevyn liikkumaan.Peruskytkimen toimintaVasemmanpuoleisessa kuvassa kytkinlevy on kiinni vauhtipyörässä. Koska vaihteiston akseli pyörii kiinteästi kytkinlevyn mukana, kulkee voima siis vauhtipyörästä vaihteistoon.

Kun kuljettaja painaa kytkinpoljinta, siirtyy holkki kohti vauhtipyörää ja painaa jousta. Jousi taittuu kuperaksi, jolloin sen ulkoreuna siirtää painelevyä vauhtipyörästä poispäin. Tällöin kytkinlevykin irtoaa vauhtipyörästä ja vaihteiston akseli lakkaa pyörimästä vauhtipyörän mukana.

Levyjousen sijaan käytössä voi olla kierrejousia. Tällöin periaate on lähes sama. Jouset eivät kuitenkaan ole yleisiä, koska rakenne on monimutkaisempi ja jousien painaminen vaatii enemmän voimaa.

Monilevykytkin

Tavallisen kytkimen raja tulee siinä vaiheessa vastaan, kun vääntö on niin suuri, että kytkinlevy ei voi välittää voimaa hajoamatta. Esimerkiksi kuorma-autoissa vääntö voi hyvin olla tuhansia newtonmetrejä.

Tästä syystä on kytkimiä, joissa on useita kytkinlevyjä. Suurin vääntö, jonka kytkinlevyt voivat välittää, riippuu kytkinlevyn pintojen lukumäärästä. Mitä enemmän siis on kytkinlevyjä, sitä enemmän on pintoja ja sitä suuremman väännön kytkin voi välittää.

Toisaalta mitä enemmän levyjä on, sitä pienempiä ne voivat olla. Siksi monilevykytkin on hyödyllinen esimerkiksi moottoripyörässä, koska moottoripyörään ei mahdu suurta kytkintä.

Rakenteeltaan monilevykytkin ei sinänsä eroa tavallisesta kytkimestä, mutta levyjä on toki enemmän. Jokaisen levyn välissä on painelevy. Painelevyt voivat liukua yhdystankoa pitkin, kun taas kytkinlevyt voivat liukua vaihteistoon menevää akselia pitkin. Kuljettajan painaessa kytkinpoljinta levyt siis liukuvat tangoilla niin, että ne irtoavat toisistaan. Vastaavasti kuljettajan nostaessa poljinta levyt liukuvat toisiinsa kiinni.

monilevykytkimen rakenneMonilevykytkin on märkä tai kuiva. Märän kytkimen kotelossa on moottorin öljyä. Öljy jäähdyttää kytkintä ja tekee toiminnasta hiljaisempaa. Öljy tosin lisäksi vähentää kitkaa, joten märkä kytkin ei voi välittää yhtä suurta vääntöä kuin kuiva. Näinpä märässä kytkimessä pitäisi olla levyjä enemmän tai niiden olisi oltava suurempia. Vaihtoehtonahan on jättää öljy pois eli tehdä kytkimestä kuiva, mutta tällainen kytkin kuumenee helposti ja on äänekkäämpi.

Kaksoiskytkin

Kaksoiskytkimessä on kaksi kytkintä sisäkkäin. Vaihdetta vaihdettaessa voiman kulku ei täysin katkea missään vaiheessa eikä vääntö pienene merkittävästi. Aiheesta on lisää seuraavassa osassa.

Momentinmuunnin

Momentinmuunnin on täysin erilainen kuin kytkin. Se ei ensinnäkään irrota mitään voimansiirron osia. Toiseksi sen toiminta perustuu öljyyn eikä mekaanisiin osiin. Näinpä auton voi pysäyttää siitä huolimatta, että moottori on käynnissä. Momentinmuuntimia käytetään hyvin paljon automaattivaihteistoissa, vaikka vaihtoehtona on kaksoiskytkin.

Momentinmuunnin välittää sitä enemmän vääntöä, mitä korkeammat kierrokset moottorissa on. Esimerkiksi auton jarruttaminen jarrupoljinta painamalla olisi paljon vaivalloisempaa, jos samaan aikaan kuljettaja nostelisi kaasupolkimella kierroksia vaikkapa 1 700:ään. Toisaalta kun kuljettaja alkaa kiihdyttää, momentinmuunnin jopa 2–3-kertaistaa väännön ja näin tehostaa auton kiihtymistä.

Suurissa nopeuksissa vaihteisto pyörii lähes samaa nopeutta kuin kampiakseli. Koska nopeus ei ole täysin sama, osa energiasta menee hukkaan. Siksi momentinmuuntimessa on usein lukkokytkin, joka kytkeytyy joko kaikissa nopeuksissa tai vain suurissa nopeuksissa.

Muualla 4WETOA-saitilla käsittelen tarkemmin momentinmuuntimen toimintaa sekä sen kestävyyttä.

Välityssuhteet

Välityssuhde ja tapa merkitä se voivat vaikuttaa ahdistavan matemaattisilta, mutta niillä on erittäin suuri merkitys auton etenemisessä. Auton voimansiirtoon kuuluvilla hammaspyörillä on tietty välityssuhde. Ne välittävät voimaa siis tietyssä suhteessa.

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

Yleistä suhteesta

Välityssuhdetta merkitään siten, että kaksoispisteen molemmin puolin on jokin luku. Mitä tahansa suhdetta merkitään samalla tavalla. Mistä tässä merkinnässä, ja suhteessa ylipäätään, on kyse?

Suhteiden kanssa moni on ollut tekemisissä sekoittaessaan bensiiniä ja öljyä esimerkiksi moottorisahaan lisättäväksi. Moottorisahan janojuomassa kaksitahtiöljyn ja bensiinin sekoitussuhde on yleensä 1:50, joka luetaan ”yhden suhde viiteenkymmeneen”. Sekoitettaessa bensiiniä ja öljyä jokaista 50:tä osaa bensiiniä kohden tulee 1 osa öljyä. ”Osa” voi olla litra, desilitra tai vaikka kilo. Tai jos pihassa on 50 samankokoista kanisterillista bensiiniä, niihin pitää jakaa tasaisesti 1 samankokoinen kanisterillinen öljyä.

Suhde on itse asiassa sama asia kuin jakolasku, ja suhteita tulee käsitellä laskutoimituksissa samalla tavalla kuin murtolukuja. Jos bensiiniä onkin 100 osaa, sitä on kaksinkertainen määrä. Tällöin myös öljyä on oltava kaksinkertainen määrä. Sekä luku 1 että luku 50 kerrotaan siis 2:lla.

Hammaspyörien välityssuhde

Jos kahden hammaspyörän välityssuhde on esimerkiksi 3:1, on toisessa hammaspyörässä 3 hammasta jokaista toisen hammaspyörän 1 hammasta kohti. Jokaista 3:a osaa kohden tulee 1 osa ja päinvastoin. Onko siis olemassa yksihampaisia ja kolmehampaisia hammaspyöriä?

Kyse on siitä, että matematiikassa pyritään yksinkertaisuuteen. Hampaita voi olla 30 ja 10 tai 300 ja 100 tai vaikka 30 000 ja 10 000. Suhde on kuitenkin sama: toisen hammaspyörän 1 hammasta kohden toisessa on 3 hammasta. Toisin sanoen toisessa hampaita on 3-kertainen määrä.

Auton voimansiirrossa hammaspyöriä on ainakin vaihteistossa sekä tasauspyörästössä. Niin kauan kuin välityssuhde ei ole 1:1, muuttavat hammaspyörät voiman kulkua. Esimerkiksi vääntö ei ole pyörissä enää sama kuin moottorissa.

Vaihteiston välityssuhteet

Otetaan esimerkiksemme kuvitteellinen Clunker Crashkai -auto. Puretaan sen vaihteiston hammaspyörät selkeäksi kuvaksi. Vaihteiston hammaspyörät ovat rivissä ja hammaspyörän sisällä on sitä vastaavan vaihteen numero. Vaihteiston hammaspyörien alla on moottorista tulevan akselin hammaspyörä. Toisin sanoen tämä hammaspyörä pyörii kampiakselin mukana. Kutsutaan sitä moottorin hammaspyöräksi.

vsuhteet-vaihteetMoottorin hammaspyörässä on 10 hammasta. 1-vaihteen hammaspyörässä on 30 hammasta. Kun ykkösvaihde on kytkettynä, on moottorin hammaspyörä kiinni 1-vaihteen hammaspyörässä. Näiden kahden hammaspyörän välityssuhde on pyörivän hammaspyörän hampaiden lukumäärän suhde pyörittävän hammaspyörän hampaiden lukumäärään. Se on siis 30:10 – ja molemmista voidaan 0 tiputtaa pois, jolloin saadaan 3:1.

Miten välityssuhdetta voidaan tulkita? Kampiakselin pyörähtäessä yhden kerran 1-vaihteen hammaspyörä pyörähtää 1/3 kierrosta. Kampiakselin täytyy siis pyörähtää 3 kertaa, jotta hammaspyörä pyörähtäisi täyden kierroksen. Mikä on tilanne kytkettäessä 2-vaihde? Välityssuhde on silloin 20:10 eli 2:1, joten kampiakselin pyörähtäessä kerran hammaspyörä pyörähtää 1/2 kierrosta.

Tasauspyörästön välityssuhde

Vaihteistosta pyöriminen siirtyy sellaisenaan eteenpäin. Toisin sanoen kardaaniakseli pyörii samassa suhteessa kuin vaihteen hammaspyörä. Esimerksi 1-vaihteella moottorin kampiakselin pyörähtäessä 1 kierroksen pyörähtää kardaani 1/3 kierrosta. Pyörät eivät kuitenkaan pyörähdä sen verran, koska tasauspyörästö edeltää niitä.

Tasauspyörästön välityssuhteessa on kyse siitä, kuinka monta kierrosta siihen kuuluva iso hammaspyörä pyörähtää kardaaniakselin päässä olevan hammaspyörän pyörähtäessä yhden kerran. Olkoon Crashkain tasauspyörästön välityssuhde 4,11:1.

Jotta lopullinen, pyörien ja kampiakselin välinen välityssuhde saadaan, pitää kertoa kaikki voimansiirron välityssuhteet toisillaan. Kun Crashkaissa on vaikkapa 2-vaihde kytkettynä, on lopullinen välityssuhde (2 · 4,11) : (1 · 1) = 8,22:1.

Lopullinen välityssuhde on moottorin kampiakselin ja pyörän välinen välityssuhde. Näinpä Crashkain kampiakselin pyörähtäessä 8,22 kertaa sen pyörät pyörähtävät 1 kerran.

Toki voimansiirtoon voi kuulua muitakin välityssuhdetta muuttavia osia. Esimerkiksi alennusvaihteisto muuttaa välityssuhdetta. Samoin tekee vetoakseleiden päässä oleva vaihteisto, joita on niin sanotuissa napaperäisissä kuorma-autoissa.

Nopeus ja välityssuhde

Koska kampiakselin pyöriminen on yhteydessä pyörien pyörimiseen ja pyörien pyörimisestä seuraa auton nopeus, on välityssuhteilla vaikutus kampiakselin nopeuden ja auton nopeuden väliseen suhteeseen.

Kytketään Crashkain 2-vaihde, jolloin lopullinen välityssuhde on 8,22:1. Crashkain pyörän halkaisija on 60 cm. Pyörän pyörähtäessä kerran se kulkee π · 60 cm ≈ 188,50 cm, ja kampiakseli pyörähtää tällöin 8,22 kertaa.

Nostetaan Crashkain kierrosluku 1 000 kierrokseen minuutissa. Tällöin se on 60 · 1 000 = 60 000 kierrosta tunnissa, eli kampiakseli pyörähtää 60 000 kertaa tunnin aikana.

8,22 kampiakselin kierrosta vastaa yhtä pyörän pyörähdystä. Pyörä pyörähtää tällöin 60 000 / 8,22 = 7 299,27 kertaa tunnissa. Näinpä se kulkee 188,5 · 7 299,27 = 1 375 912,41 cm/t. Kilometreinä tunnissa pyörän nopeus on 13,7591241 km/t, ja se on myös auton nopeus.

Kuinka kovaan vauhtiin 2-vaihteella pääsee, jos Crashkain moottorin niin sanottu punainen alue on 6 000 kierrosta minuutissa? Kun vaihdetaan yllä olevissa laskutoimituksissa 1 000 kierrosta 6 000 kierrokseksi, 2-vaihteen maksiminopeudeksi saadaan noin 83 km/t. Ajo tekisi kuitenkin erittäin paljon hallaa Clunker Crashkain moottorille ja voimansiirrolle.

Nelivedon välityssuhteet

Nelivetoisissa autoissa on neljä vetävää pyörää, minkä vuoksi voimansiirtoon kuuluu enemmän voiman kulkua muuttavia osia. Seuraavaksi tarkastelemme voiman kulkua moottorista pyöriin kuvitteellisessa Tor Q-mAx -lava-autossa. Samalla tutkimme, miten ylipäätään kierrosluku sekä vääntö muuttuvat matkalla moottorista pyöriin.

Pidämme Q-maXissa koko ajan 1-vaihteen sekä hitaan nelivedon kytkettynä. Välityssuhteet selviävät alla olevasta kuvasta. Tarvittaessa käy kertaamassa nelivedon perusteita.

vsuhteet-4wd-vsuhde-pyorissa Lasketaan ensin Q-mAxin lopullinen välityssuhde. Voimansiirrossa on vielä kaksi osaa, jotka muuttavat välityssuhdetta, ja ne ovat alennusvaihteisto sekä tasauspyörästöt.

Jotta lopullinen välityssuhde saadaan, kerrotaan kaikkien voimansiirron osien välityssuhteet yhteen. Se käy näin: (3,7 · 2,4 · 4,1) : (1 · 1 · 1) ≈ 36,4:1. Kampiakseli saa siis pyörähtää vähän päälle 36 kertaa, jotta Tor QmAxin pyörät pyörähtävät kerran.

Tutkitaan sitten pyörimisnopeutta. Nostellaan pick-upimme kierrokset 1 000:een.

vsuhteet-4wd-kierrosluvut Kohdatessaan välityssuhdetta muuttavan voimansiirron osan kierrosluku pienenee välityssuhteen verran. Kierrosluku jaetaan siis välityssuhteella. Oikaiskaamme laskutoimituksissa sen verran, että jaetaan vain suhteen vasemmanpuoleisella luvulla, koska ykkönen katoaa laskutoimituksissa kuitenkin.

Vaihteiston jälkeen kierrosluku on 1 000 : 3,7 ≈ 270 kierrosta minuutissa. Jakolaatikon jälkeen kardaanien pyörimisnopeus on 270 : 2,4 ≈ 113 kierrosta minuutissa. Liike välittyy tasauspyörästön kautta pyöriin, jotka pyörivät tasauspyörästön jälkeen enää 113 : 4,1 ≈ 27 kierrosta minuutissa.

Tutkitaan sitten väännön kulkua voimansiirrossa. QmAxin moottori tarjoaa parasta vääntöä aikaisintaan 1 500 kierroksessa minuutissa. Nostetaan kierrokset siis siihen. Vääntöä kone puristelee 370 newtonmetriä.

vsuhteet-4wd-vaantoKohdatessaan välityssuhdetta muuttavan voimansiirron osan vääntö suureneekin välityssuhteen verran. Vaihteiston 1-vaihde muuttaa vääntöä 3,7 · 370 ≈ 1 369 newtonmetriin. Alennusvaihteistosta lähtee kardaaneille yhteensä 2,4 · 1 369 ≈ 3 268 Nm. Vääntö jakautuu kahtia etu- ja taka-kardaaniin. Tasauspyörästössä vääntöä on yhteensä 4,1 · 1 643 ≈ 6 736 Nm, ja se jakautuu kahtia niin, että kukin pyörä saa huikeat 3 368 Nm vääntöä.

Alennusvaihteisto on aika kiva lisä, koska 1500 kierroksessa minuutissa ilman alennusvaihteistoa vääntö pyörissä olisi 1 403 Nm eli noin 58 prosenttia pienempi. Lisäksi kampiakseli pyörähtäisi lähes 100 kertaa pyörän yhden pyörähdyksen aikana. Liikkeelle lähdettäessä pyörä pyrkisi pyörimään niin vauhdikkaasti, että se helposti sutaisisikin tyhjää.

Etuveto, takaveto, neliveto ja Ackermann

Vetotapa vaikuttaa auton käsiteltävyyteen, hintaan, rakenteeseen sekä matkustajien ja tavaran tilaan. Usein auton valmistaja miettii vetotavan ja varsinkin moottorin sijainnin vetäviin pyöriin nähden tarkasti sen mukaan, millaiseen käyttöön auto tulee.

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
Citroën Traction Avant. Kuva on vapaassa käytössä.
Citroën Traction Avant edesauttoi etuvedon suosion lisääntymistä. Vaihteisto sijaitsi etuakselin etupuolella, tasauspyörästö akselin kohdalla ja moottori hieman akselin takapuolella. Kuva on vapaassa käytössä.

Yleistä vetotavoista

Autopuheissa useimmiten puhutaan sujuvasti vain etuvedosta, takavedosta ja nelivedosta erittelemättä tarkemmin voimansiirron rakennetta. Jokaisesta vetotavasta on useita variaatioita, joiden välisinä eroina on lähinnä moottorin sijainti vetäviin pyöriin nähden. Nelivetoisissa autoissa eroja on lisäksi nelivedon tekniikassa.

  • Useimmissa etuvetoisissa autoissa moottori on auton etuosassa pitkittäin tai poikittain. Varsinkin ennen se oli joissain autoissa akselien välissä tai jopa auton takaosassa.
  • Takavetoisistakin autoista suurimmassa osassa moottori sijaitsee auton etuosassa. Varsinkin urheiluautoissa se on kuitenkin keskiosassa, ja muutamassa autossa kone on laitettu taka-akselin taakse.
  • Nelivetoisissa autoissa moottorin yleisin paikka on auton etuosa. Joissakin urheiluautoissa moottori on kuitenkin sijoitettu keskiosaan tai takaosaan.

Etuveto

Etuvetoa voisi kuvailla kompaktiksi perusvetotavaksi. Se soveltuu laajalle yleisölle, ja on ehkä siksi suosituimpia vetotapoja nykyaikana.

Etuvetoisessa autossa etuakselin pyörät vetävät ja taka-akselin pyörät pyörivät vain auton mukana. Moottori voi sijaita auton keskiosassa tai takaosassa, mutta nykyisin ylivoimaisesti useimmiten kone on etuakselin etupuolella pitkittäin tai poikittain. Koska moottori ja vaihteisto ovat aivan etuakselin tasauspyörästön lähellä, on vaihteisto ja tasauspyörästö hammaspyörin kosketuksissa toisiinsa. Näinpä koko voimansiirto muodostaa näppärän, tiiviin paketin auton etuosaan.

SteveBaker at the English language Wikipedia
British Motor Companyn Mini oli mullistuksellinen: etuakselin etupuolelle poikittain sijoitetun moottorin ansiosta matkustajilla ja tavaroilla saatiin rutkasti tilaa. Monessa nykyautossa on sama ratkaisu. Ministä sai myös pick-up-mallin – ei ehkä niin massiivisen jyhkeän kuin tämän päivän pick-upit. Kuvan omistaja on SteveBaker englanninkielisessä Wikipediassa, lisenssi CC-BY-3.0.

Kompaktista voimansiirrosta on paljon hyötyä. Ensinnäkin se on edullisempi, jolloin auto voidaan myydä uutena halvemmalla. Toiseksi auton käytön taloudellisuus paranee: kardaaniakselia eikä taka-akselin voimansiirron osia tarvita, joten auto on kevyempi. Lisäksi voimansiirrossa esiintyy vähemmän polttoaineen kulutusta lisääviä vastuksia. Huoltoa vaativia osiakin on vähemmän. Kolmanneksi voimansiirron osat eivät vie tilaa matkustajilta ja tavaroilta. Toisaalta kompaktius sulkee melkeinpä pois V6:n ja V8:n kaltaiset isot moottorit.

Etuvedon ajo-ominaisuudet eivät ole täysin kiistattomasti hyvät. Voimansiirron massa on etupyörien, eli vetävien pyörien, päällä, jolloin pyörien pito toki paranee. Etuvetoista voikin pitää turvallisempana vaihtoehtona liukkaalla kuin takavetoa – ainakin niin kauan, kun kiihdytykset eivät ole voimakkaita. Jos etuvetoisella autolla kiihdyttää voimakkaasti, painoa siirtyy auton takaosaan. Tällöin etupyörät kevenevät, ja auto saattaa alkaa ohjautua sivulle. Tehokkaissa ja tehokkaisiin kiihdytyksiin suunnitelluissa autoissa on siksi usein takaveto, jotta massa siirtyy kiihdytyksessä vetävien pyörien päälle.

Kiihdytettäessä rajusti etuvetoisella autolla sen ratti saattaa alkaa puoltaa jompaankumpaan suuntaan. Tehokasta etuvetoista autoa ajettaessa autoa voi alkaa vaivata myös aliohjautuminen. Tällöin auto ei käänny niin paljon, kuin ratin tietyssä asennossa sen pitäisi kääntyä. Kun etuvetoiseen autoon kytketään vielä perävaunu – oli auto tehokas tai ei – vähenee etupyörien päällä oleva massa entisestään. Näinpä etuvetoiseen autoon ei välttämättä saa kovin raskasta perävaunua kytkettyä.

Etuvetoisen auton kompaktiuskin saattaa kääntyä kuljettajaa vastaan. Poikittain asennettu moottori rajoittaa etupyörien kääntyvyyttä, minkä seurauksena auton kääntöympyrän halkaisija suurenee. Ylipäätään etuvetoisten autojen renkaatkin joutuvat muita autoja kovemmille: ohjauksen ja jarrutusten välittämisen lisäksi rengasparat joutuvat siirtämään kiihdytykset tien pintaan.

Takaveto

Takavetoa kuvaa ehkäpä parhaiten alttius perän sivuluisuun mutta kätevyys tehokkaissa autoissa. Takaveto oli suosituin vetotapa henkilöautoissa aina 1970-luvulle asti, mutta menetti ykkössijan etuvedolle.

Porsche 911 on monen muu urheiluauton tapaan takavetoinen, koska tehokkaissa kiihdytyksissä painoa siirtyy taka-akselille. Melko omalaatuista 911:ssä on kuitenkin se, että moottori sijaitsee aivan auton takana.

Vedon välittäminen taka-akseliin vaatii osia, jotka saattavat viedä tilaa matkustamosta ja tavaratilasta. Samoin takavetoisella autolla on massaa enemmän. Toisaalta voiman taakse siirtävät osat tuovat painoa, ja usein moottorikin sijaitsee keskiosassa tai takana. Näinpä vetävien pyörien päällä on suuri massa, mikä parantaa pitoa liukkaalla. Kiihdytyksissäkin massaa siirtyy entisestään taakse vetävien pyörien päälle.

Takavetoinen auto alkaa herkästi yliohjautua. Tällöin auto kääntyykin enemmän, kuin sen tietyssä ratin asennossa pitäisi. Tätä esiintyy varsinkin lumessa, jäässä ja hiekassa. Lava-autot ovat liukkailla pinnoilla erityisen innokkaita viskailemaan perää, kun niissä on kaksiveto kytkettynä.

Takavetoiset saattavat maksaa enemmän kuin samankaltaiset etuvetoiset autot, koska osia on enemmän. Toisaalta koska voimansiirron osat eivät ole niin tiiviissä paketissa, niitä on helpompi huoltaa. Osat myös sitten ovat kalliimpia, mikä saattaa lisätä uuden auton hintaa.

Neliveto

Neliveto on kallis mutta varma. Se tunnetaan off-road-ajossa välttämättömänä apuvälineenä mutta myös liukkaiden maanteiden taltuttajana. Nelivedossa yksinkertaisesti neljä pyörää vetää, vaikka useimmiten ei läheskään koko ajan.

Kykyä edetä nelivedolla on tietysti melkein tuplasti enemmän kuin etuvedolla tai takavedolla. Nelivetoisella autolla pystyy varmemmin kiihdyttämään ja etenemään liukkaalla pinnalla, koska vetäviä pyöriä on enemmän. Lisäksi jos voimansiirron tasauspyörästöihin kuuluu luistonrajoittimia tai lukkoja tai jos tietokone jakaa voimaa älykkäästi, on kiihdytyksen ykkössijan saaminen vielä varmempaa. Tien pinnan ja renkaiden välistä pitoahan neliveto ei kuitenkaan lisää, eli jos pitoa ei renkaiden alla ole, voi auto karata käsistä.

Toisaalta varsinkin neljän pyörän vetäessä jatkuvasti varmuus alkaa tietyissä olosuhteissa olla jo rasite: kun liukkaalla tiellä neliveto on järkevämpi kuin kaksiveto, kuivalla tiellä tilanne on päinvastainen. Neljä vetävää pyörää on turhan paljon, ja ylimääräiset pyörät vain lisäävät voimansiirron vastuksia ja sitä kautta polttoaineen kulutusta. Osat myös rasittuvat turhaan. Älykäs neliveto tietenkin korjaa tämän ongelman, sillä se jakaa voimaa pyöriin olosuhteiden mukaan.

Audi-Q5-public-domain
Audi Q5:ssa on tietokoneen kontrolloima neliveto, ja moottori sijaitsee Audin tapaan edessä pitkittäin. Kuva on vapaassa käytössä.

Ackermann

Alla olevassa kuvassa on kuva auton pyöristä kaartamassa vasempaan. Kunkin pyörän voidaan ajatella piirtävän alustaan ympyrän. Vihreät viivat kuvaavat ympyröiden säteitä.

Ackermann-ympyran-ajoPyörän 1 kulma on suurempi kuin pyörän 2 kulma, minkä seurauksena pyörien säteet kohtaavat samassa pisteessä. Jos pyörien kulmat olisivat yhtä suuret, joutuisi sisempi pyörä luisumaan sivusuunnassa. Ackermann-ohjauksessa sisempi pyörä kääntyy siis aina enemmän kuin ulompi. Rudolf Ackermann patentoi ratkaisun vuonna 1818 hevosten vetämiä vankkureita varten, mutta sittemmin ratkaisun mukainen ohjaus on ollut varsin suosittu autoissa.

Autoissa ohjaus on toteutettu siten, että raidetanko on lyhyempi kuin pyörien välinen etäisyys. Periaate selviää oheisesta videosta:

Yllä olevasta kuvasta selviää toinenkin käännöksissä esiintyvä oikku. Kunkin pyörän muodostaman ympyrän säde poikkeaa muiden pyörien ympyröiden säteestä. Toisin sanoen pyörät kulkevat eri mittaisen matkan samassa ajassa, eli ne pyörivät eri nopeudella. Pyörä 3 pyörii hitaimmin ja pyörä 2 taas nopeimmin. Lisäksi etuakselin pyörät pyörivät nopeammin kuin taka-akselin pyörät.

Tasauspyörästön ansiosta saman akselin pyörät pääsevät pyörimään eri nopeudella. Nelivetoisissa autoissa ongelmallista on kuitenkin sekin, että etu- ja taka-akseli pyörivät eri nopeudella. Tästä syystä nelivetoon usein kuuluu akselien välinen tasauspyörästökin. Jos tasauspyörästöä ei ole, rasittuu voimansiirto aina kaarrettaessa pitävällä alustalla.

Voimansiirron rakenne

Moottori on muuntanut polttoaineen sisältämän energian kampiakselin pyörimiseksi eli juurikin sellaiseksi liikkeeksi, kuin jota pyöriin kaivataan. Autoilu olisi kuitenkin varsin hankalaa, jos moottorin kampiakselin pyörimisliike siirtyisi suoraan pyöriin. Siksi siihen väliin tarvitaan voimansiirto.

4WETOA käy läpi auton voimansiirron useassa eri osassa. Ensimmäinen kirjoitus esittelee voimansiirron rakenteen melko pintapuolisesti, mutta muut osat paneutuvat tarkemmin yksittäisiin voimaa siirtäviin komponentteihin.

Voimansiirtoa käsittelevän juttusarjan osat

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

Lisäksi sivustolla on jo artikkelit seuraavista aiheista:

Videosta voi vilkaista Ford Rangerin voimansiirtoa. Videossa ei ole ääntä.

Moottori ja vauhtipyörä

Moottori tuottaa voiman, joka liikuttaa autoa. Polttoaineessa energia on kemiallisessa muodossa, ja polttoainetta polttamalla moottori muuntaa energian liike-energiaksi eli tässä tapauksessa pyörimiseksi. Jokainen moottori ei muunna energiaa samalla tavalla, vaan esimerkiksi sähkömoottorissa energian olomuoto on aluksi sähköä.

Energia on liikkeenä jo moottorin kampiakselissa, sillä kampiakseli pyörii keskiakselinsa ympäri. Voimansiirron ensimmäiseksi osaksi voidaan katsoa kampiakselissa oleva vauhtipyörä. Se on raskas levymäinen kappale, joka pyörii kiinteästi kampiakselin mukana. Sillä on useita tehtäviä tavanomaisessa autossa.

Yksi tärkeimmistä on tasaisen pyörimisen pitäminen yllä kaikkien sylinterien vaiheiden aikana. Kun kampiakseli on raskaan pyörän saanut kerran vauhtiin, ei sen pyörintä kovin nopeasti lakkaa. Voiman eteenpäin siirtämisen kannalta tärkeää on kuitenkin se, että vauhtipyörä on kytkimen vastinpinta.

Kytkin ja momentinmuunnin

Vauhtipyörää seuraava voimansiirron osa riippuu siitä, minkälainen vaihteisto autossa on. Manuaalivaihteisissa autoissa osa on kytkin. Kytkimellä kuljettaja saa katkaistua voiman kulun moottorista vaihteistoon. Lisäksi kuljettaja pystyy yhdistämään vauhdikkaasti pyörivän kampiakselin ja usein täysin eri nopeudella pyörivän, tai täysin pysähdyksissä olevan, vaihteiston toisiinsa.

Automaattivaihteisissa autoissa kytkimen paikalla on momentinmuunnin. Kun kytkin selvästi irrottaa kaksi voimansiirron osaa toisistaan, momentinmuuntimen sisällä olevan öljyn paine vain vaihtelee.

Vaihteisto

Vaihteisto siirtää voimaa eteenpäin, mutta se myös pystyy muuttamaan voimaa. Vaihteisto voi siirtää paljon voimaa hitaassa nopeudessa, vähän voimaa suuressa nopeudessa tai jotain siltä väliltä. Esimerkiksi liikkeelle lähdettäessä pyörät ovat paikallaan, joten tarvitaan paljon vääntöä pienessä nopeudessa.

Manuaalinen vaihteisto eroaa reilusti automaattisesta. Manuaalisessa vaihteistossa hammaspyöriä on päällekkäisissä akseleissa, ja eri vaihteilla akseleiden tietyt hammaspyörät koskettavat toisiaan. Tällöin muut hammaspyörät pyörivät vain akselin mukana.

Automaattisessa vaihteistossa hammaspyörät sijaitsevat ympyrän muotoisessa kokonaisuudessa. Ympyrän kehäkin on yksi hammaspyörä, mutta sen hampaat ovatkin pyörän sisäkehällä. Kaikki hammaspyörät ovat koko ajan kosketuksissa, mutta eri vaihteilla eri pyörät pyörivät tai eivät pyöri.

Vetotavat

Voimansiirron rakenne vaihteistosta eteenpäin vaihtelee sen mukaan, onko autossa kaksi vai neljä vetävää pyörää eli onko auto kaksi- vai nelivetoinen. Lisäksi sekä kaksi- että nelivetoisissa autoissa rakenne vaihtelee suuresti esimerkiksi seuraavissa tilanteissa:

  • Vetävät pyörät ovat auton toisessa päässä ja vaihteisto on toisessa.
  • Vetävät pyörät ovat auton samassa päässä kuin vaihteisto.
  • Vetäviä pyöriä on jatkuvasti neljä.
  • Vetäviä pyöriä on neljä silloin, kun kuljettaja on erikseen kytkenyt toisetkin kaksi pyörää vetäviksi.
  • Vetäviä pyöriä on neljä silloin, kun tietokone tietyissä olosuhteissa siirtää vetoa toiseenkin kahteen pyörään.
Kardaaniakselissa on murrosnivel, jonka ansiosta akseli voi mukautua mahdolliseen taivuttavaan voimaan.
Kuvassa on Rangerin taka-akselistoon voiman kuljettava kardaaniakseli.

Kardaaniakseli ja akselistot

Jos vaihteisto sijaitsee auton toisessa päässä ja vetävät pyörät toisessa, pitää voima siirtää auton päästä toiseen. Esimerkiksi vierekkäisten hammaspyörien rivi tai ketju olisivat täysin järjettömiä verrattuna yhtenäiseen tankoon. Kardaaniakseli on periaatteessa juuri tällainen tanko – täysin yhtenäinen se ei nyt kuitenkaan ole.

Kardaaniakseli yhdistää vaihteiston ja akselin. Akseli kannattelee auton pyöriä. Rakenteen vakiintunut nimitys on siis akseli. Akseleita ovat voimaa pyörimällä välittävät yhdenmuotoiset tankomaiset kappaleet, mutta autossa yhden puolen pyörästä vastakkaiseen pyörään kulkeva kokonaisuus on kaikkea muuta kuin yhtenäinen ja yhdenmuotoinen tanko. Tällainen tanko tuottaisi ongelmia esimerkiksi kaarteissa.

Akselin rakenne määräytyy sen mukaan, ovatko akselin pyörät vetävät vai pyörivätkö ne vapaasti auton mukana. Lisäksi akselin rakenne vaihtelee sen mukaan, onko vaihteisto aivan kiinni akselissa: vaihdeakseliin voima siirtyy suoraan hammaspyörien välityksellä vaihteistosta, kun taas erillisakseliin voima siirtyy kardaaniakselia pitkin. Jos vetävät pyörät ja vaihteisto ovat auton samassa päässä, on vetävä akseli usein vaihdeakseli, ja jos ne ovat auton eri päissä, on vetävä akseli yleensä erillisakseli.

Tietynlaisissa nelivetoisissa autoissa kardaaniakseleita on kaksi, koska vaihteistosta täytyy olla yhteys sekä etu- että taka-akseliin. Joissain nelivedoissa taas on vaihdeakseli, ja auton takaosaan, erillisakseliin, voimaa aina tarvittaessa siirtää kardaaniakseli.

Tasauspyörästö

Tavanomaisesti tasauspyörästö-sanalla tarkoitetaan akselissa pyörien välissä olevaa osaa. Kardaaniakseli tai vaihteiston hammaspyörä yhdistyy tasauspyörästöön. Tasauspyörästöllä on kaksi tehtävää: se jakaa voiman molempiin pyöriin sekä antaa pyörien pyöriä eri nopeudella. Pyöräthän pyörivät eri nopeudella kaarteissa.

Tasauspyörästö-sana voi tarkoittaa muutakin kuin akselissa sijaitsevaa tasauspyörästöä. Nelivetoisissa autoissa saattaa tasauspyörästö olla akselienkin välissä eikä vain akselien pyörien välissä. Akselit pyörivät tietyissä tilanteissa eri nopeudella, jolloin akselien välinen tasauspyörästö ehkäisee voimansiirron rasittumista.

l200n-taspyorasto-takana

Tasauspyörästölle on puhekielessä muutamia jouhevampia nimityksiä. Perämurikka viitannee tasauspyörästön kotelon muotoon ja siihen, että se erottuu selkeästi muusta akselista. Perä on yleinen ja suosittu todennäköisesti näppäryytensä vuoksi. Kun kerran perä tarkoittaa tasauspyörästöä, voidaan puhua takaperästä ja etuperästä.

Vetoakseli

Tasauspyörästöstä voima siirtyy pyöriin vetoakseleita pitkin. Nekään eivät välttämättä ole yhtenäisiä tankoja. Pyörän on esimerkiksi voitava kallistua vetoakseliin nähden, eikä yhtenäinen tanko tällaista mahdollistaisi. Vetoakselin rakenne saattaa vaihdella senkin mukaan, onko vetoakselin tehtävä ainoastaan siirtää voimaa vaiko lisäksi kannatella osaa auton massasta.

Pyörä

Voiman kulku päättyy tietenkin pyöriin. Ne ovat kosketuksissa tien pintaan ja välittävät voimat tiehen. Pyörä koostuu vanteesta sekä renkaasta. Vanteissa ja renkaissa toki on runsaasti eroja. Pyörä-sanaan voidaan lukea myös pyörän kiinnitys vetoakseliin sekä jarrut. Voiman siirtymisen kannalta merkitystä on kiinnityksellä. Nelivetoisissa autoissa kiinnitykseen saattaa kuulua napalukot, joiden avulla pyörä voidaan irrottaa vetoakselista sekä kytkeä takaisin siihen.

Lain mukaan maastoauton on oltava oikeasti maastoauto

Toisinaan maastoauto-käsite aiheuttaa kiivasta keskustelua. Onko Land Cruiser enemmän maasturi kuin CR-V? Entä onko Fiat Panda 4×4 maasturi neljä kertaa nelosesta huolimatta? Panokset ovat kovat: häviäjät valuvat takaisin kaupunkimaasturien sekaan, kun voittajat kapuavat kukkulan kuninkaaksi.

Ihminen monesti perustelee omaa näkökulmaa viittaamalla auktoriteettiin, joka autoasioissa usein on laki. LVM:n asetus autojen ja perävaunujen rakenteesta ja varusteista, kuudes pykälä, määrittelee maastoauton hyvinkin tarkasti.

Maastoautoksi lukeutuvat vain ja ainoastaan M- ja N-luokan ajoneuvot. Näinpä maastoautona ei voi pitää mönkijää tai traktoria. Toisaalta maastoauto-käsitteeseen lakiteksti niputtaa yhtä lailla muun muassa henkilöautot, pakettiautot, kuorma-autot ja linja-autot. Lava-autot ovat yleensä pakettiautoja, mutta ne voivat olla myös kuorma-autoja.

Tosin esimerkiksi kuorma-auto ei ole maastoauto samoin kriteerein kuin henkilöauto. Asetus jakautuukin oikeastaan kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa se määrittelee, millä ehdoilla henkilöauto sekä kokonaismassaltaan enintään 2 000-kiloinen lava-auto ovat maastoautoja. Toisessa osassa lakiteksti käsittelee lava-autot, joiden kokonaismassa on yli 2 000 kg. Kokonaismassahan on ennalta määritelty, ajoneuvon rekisterotteeseen merkitty luku.

Lainsäätäjä käyttää sekä akseli– että akselisto-nimitystä. Katson molempien käsitteiden tarkoittavan rakennetta, jonka päissä pyörät ovat. Tukea tähän näkemykseen antaa esimerkiksi pari kappaletta alempana oleva pykälän a-kohta, jossa ensin puhutaan etu- ja taka-akselista ja sen jälkeen lukee ”jolloin yksi akselistoista”.

1. Henkilöautot ja osa lava-autoista

1. M1G- ja N1G-luokan maastoautoksi katsotaan M1-luokan ajoneuvo ja kokonaismassaltaan enintään kahden tonnin N1-luokan ajoneuvo, jos:

M1-luokan ajoneuvoja ovat käytännössä henkilöautot ja N1-luokan ajoneuvoja pakettiautot. Lava-autot ovat pakettiautoja; joskin ne voivat olla myös kuorma-autoja. Käytän silti vain lava-auto-nimitystä, jotta teksti toimisi paremmin. Siis yhtä lailla myös umpinainen paku voi olla maastoauto.

a) sen vähintään yksi etu- ja yksi taka-akseli on vetävä, jolloin yksi akselistoista voi olla irtikytkettävissä;

Käytännössä kaikissa henkilö- ja pakettiautoissa on kaksi akselia. Koska vähintään yhden etuakselin ja vähintään yhden taka-akselin on oltava vetävä, pitää siis molempien akselien olla vetäviä. Toisaalta yksi akseleista voi olla kytkettävissä irti, eli vedon niihin voi katkaista – niitä ei suinkaan tiputeta maahan. Valinnainen nelivetohan toimii tässä, ja myös automaattinen neliveto soveltuu. Se pitää vedon toiseen akseliin katkaistuna, kun toisen akselin pyörä tai pyörät eivät lyö tyhjää.

b) siinä on vähintään yksi tasauspyörästön lukitusmekanismi tai se on varustettu vastaavalla järjestelyllä;

Tämä on mielenkiintoinen vaatimus. Lainsäätäjän mielestä maasturissa on oltava lukko! Toisaalta ensinnäkin ”järjestelyn” ei siis tarvitse olla tasauspyörästön lukko, vaan se voi mitä ilmeisemmin olla tasauspyörästön luistonrajoitin. Sellaisia ovat myös Torsen ja viskokytkin.

Toiseksi laki ei vaadi esimerkiksi sitä, että lukko tai ”vastaava järjestely” olisi etu- tai taka-akselin tasauspyörästössä. Se voi siis olla vaikkapa akselien välisessä tasauspyörästössä, niin kuin varsinkin automaattisissa nelivedoissa se monesti on. JOS siis lukkoa muistuttava järjestelmä kelpaa.

c) sen laskennallinen mäennousukyky ilman perävaunua on vähintään 30 prosenttia; ja

Laskennallinen-sanan ansiosta maastoauto-tittelin saadakseen auton ei tarvitse tehdä mäen nousemisesta näytöstä Trafin tarkastajille. Autoinsinöörit tai autotallin ahertajat voivat paperilla laskea, millaista mäkeä auto voi nousta millaisellakin kokoonpanolla. Tarvitaanko moottorista tehoa enemmän, vai pitääkö hammaspyörien välityssuhdetta muuttaa?

Lauseessa on lainsäätäjälle tyypillistä termien käyttöä. Miten ”kyky” voidaan ilmaista prosentteina?! Mäennousukyvyn onkin pakko tarkoittaa mäen jyrkkyyttä. Auton pitää voida nousta mäkeä, joka 100 metrin matkalla nousee 30 metrin korkeuteen. Jos tämän haluaa muuttaa nousukulmaksi, voi käyttää trigonometriaa. Tulokseksi minä saan noin 16,9 astetta.

d) se täyttää vähintään viisi seuraavista kuudesta ehdosta:

Kaikkien ehtojen ei siis tarvitse täyttyä, mutta ainakin viiden satunnaisen ehdon pitää täyttyä.

i) lähestymiskulma on vähintään 25°;

ii) jättökulma on vähintään 20°;

Lähestymiskulman ja jättökulman monet valmistajat kertovat jo auton esitteessä. Termien selitykset voi tarkistaa maastossa merkitseviä mittoja ja massoja käsittelevästä artikkelista.

iii) ylityskulma on vähintään 20°;

Ylityskulma tarkoittaa ramppikulmaa, joka sekin selitetään sivuston artikkelissa.

iv) maavara etuakselin kohdalla on vähintään 180 mm;

v) maavara taka-akselin kohdalla on vähintään 180 mm; ja

vi) maavara akselien välillä on vähintään 200 mm.

Maavara on etäisyys matalimmalla olevasta osasta auton alla olevaan tasaiseen tasoon. Jos vaikkapa taka-akselin tasauspyörästöstä maahan on etäisyyttä vain 170 mm, ei vielä ole syytä hätään – vain vähintään viiden ehdon tarvitsee täyttyä.

2. Loput lava-autoista

2. N1G-, M2G-, M3G- ja N2G-luokan maastoautoksi katsotaan kokonaismassaltaan yli kahden tonnin N1-luokan ajoneuvo sekä kokonaismassaltaan enintään 12 tonnin M2-, M3– ja N2-luokan ajoneuvo,

Useimmat lava-autot kuuluvat N1-luokkaan, mutta osan paikka on N2-luokassa. Ne ovat siis kevyitä kuorma-autoja. Sen ei kuitenkaan pidä aiheuttaa mitään hämminkiä, koska kokonaismassaltaan yli 2 000 kilon N-ykkösiä koskevat samat ehdot kuin kokonaismassaltaan enintään 12 000-kiloisia N-kakkosia.

jos se on telavetoinen tai jokapyörävetoinen, jolloin yksi akselistoista voi olla irtikytkettävissä,

Lainsäätäjä ei ole katsonut tarpeelliseksi määritellä jokapyörävetoinen-käsitettä. Voinemme kuitenkin olettaa sen tarkoittavan sitä, että jokaiseen ajoneuvon pyörään menee voimaa moottorista. Se on siis sama asia kuin neliveto neljäpyöräisessä ajoneuvossa. Jos pyöriä onkin kuusi, ei neliveto riitäkään.

Ehkäpä siksi lainsäätäjä onkin tarjonnut vaihtoehdon.

tai se täyttää seuraavat kolme ehtoa:

a) vähintään yksi etu ja yksi taka-akseli on vetävä tai kytkettävissä vetäväksi akseliksi;

Miksi tätä lausetta ei ole muotoiltu samanlaiseksi kuin 1. osiossa vastaava lause? Joka tapauksessa kaksiakselisen pick-upin molempien akselien on oltava vetäviä. Kaksiveto silti passaa, koska etu- ja taka-akseli saavat myös olla kytkettävissä vetäviksi.

Toisin sanoen tämän lainkohdan mukaan ei olisi väliä, vaikka kumpikaan akseli ei olisi vetävä, mikäli ne saa vetäviksi kytkettyä.

b) vähintään yksi ajoneuvon akselistojen tasauspyörästöistä on lukittavissa tai varustettu vastaavalla järjestelyllä; ja

Nyt tarkkana: mikä tahansa tasauspyörästö ei tällä kertaa käy, vaan nimenomaan akselissa oleva tasauspyörästö. Toisaalta ”vastaava järjestely” jälleen kerran sopii. Esimerkiksi TPL eli tasauspyörästön luistonrajoitin lienee kelvollinen korvike. Huomaa muuten, että nyt lakitekstissä sanana onkin akselisto!

c) ajoneuvon laskennallinen mäennousukyky ilman perävaunua on vähintään 25 prosenttia.

Nousukulman on siis oltava vähintään noin 14,0 astetta. Aika harvassa maastokykyisessä autossa taitaa ollakaan noin pieni.

Oletin 2. osion alussa, että minkään lava-auton kokonaismassa ei ylitä 12 000:ta kiloa. Tokihan sitä painavammille löytyy laista omat vaatimukset, ei se siitä ole kiinni, mutta jos lava-auton kokonaismassa kaksitoista donaa ylittää, on kyseessä jo one big pick-up mutha!

Nämä mitat ja kulmat merkitsevät maastossa

Maastossa ajamisen suurimpia vaaroja ovat osumat. Sammalen alla lymyävälle kivelle tai riittävän tuoreelle kannolle kovaksikin keitetyn maastoajokin moni osa jää kakkoseksi. Vaarana on myös kellahtamiset ja pyörähtämiset. Tästä syystä varsinkin maastoon kykenevien ajoneuvojen valmistajat usein listaavat ohjekirjoihin ja esitteisiin joitakin maastossa ajamiseen liittyviä mittoja ja kulmia. Lisäksi osa ennemmin maantielle tarkoitetuista tiedoista saattavat olla hyödyllisiä off-roaderillekin.

Hämmästyttävän usein valmistaja jättää osan mitoista ja kulmista kertomatta. Lisäksi esitteissä ja ohjekirjoissa olevat tiedot ovat viitteellisiä, sillä ne saattavat päteä esimerkiksi vain tietyissä varusteluissa. Renkaiden vaihtaminen voi muuttaa maavaraa ja lava-auton lavan takaluukku auki pitäminen kasvattaa niin auton pituutta kuin takaylitystä.

Näinpä kuljettajan on syytä ottaa näistäkin auton ominaisuuksista selvää. Mitat saa vaivattomasti selville rullamitan avulla. Kulmien selvittäminen voi vaatia jopa rimaa tai vastaavaa suoraa kappaletta ja peräti geometrisia laskutoimituksia. Mutta eipähän harmita niin paljon haaverin sattuessa.

Kääntöympyrän halkaisija tarkoittaa samaa kuin kääntösäde kerrottuna kahdella. Auton kääntöympyrä vastaa sitä, että autoa ajaa ratti ääriasennossa niin kauan, että tulee kiertäneeksi ympyrän. Ympyrän halkaisijahan on sen poikki keskipisteen kautta piirretyn janan pituus. Iso kääntöympyrä tarkoittaa sitä, että auto vaatii paljon tilaa. Kääntöympyrän isous voi tietää hankaluuksia esimerkiksi käännyttäessä parkkihallissa kahden pylvään välistä.

Akselistoväli eli akseliväli tarkoittaa kahden akseliston samalla puolella olevien pyörännapojen keskipisteiden välistä etäisyyttä. Kaksiakselistoisessa autossa se siis meinaa etu- ja taka-akseliston välistä etäisyyttä. Mitalla on merkitystä auton kääntyvyyden kannalta, sillä mitä pidempi väli on, sitä kömpelömpi ajokki on kääntymään.

Raideväli tarkoittaa saman akseliston päissä olevien pyörien keskilinjojen välistä etäisyyttä. Toisin sanoen pyörät kulkevat raidevälin päässä toisistaan. Esimerkiksi sillan on oltava leveydeltään vähintään raidevälin verran, tai ajoramppien tai uraisan polun vallien on oltava raidevälin suuruisen etäisyyden päässä toisistaan.

Korkeus, leveys tai pituus voi tietenkin aiheuttaa murheita vaikkapa pysäköintitalossa. Maasto-ominaisuuksiin vaikuttaa eritoten pituus, koska pitkä auto on usein akseliväliltäänkin pitkä. Korkeus ja leveys eivät niinkään aseta autoja eri asemaan, koska leveydeltään ne ovat käytännössä samanlaisia, ja esimerkiksi ketterästi kääntyvä Wrangler voi ollakin korkeampi kuin käännöksissä tilaa ahmiva Navara.

Etuylitys ja takaylitys ovat syy siihen, miksi aloitteleva kuljettaja on monesti hyvin varovainen esimerkiksi pysäköintiruudussa. Ylityksien vuoksi ajoneuvon uloimmat reunat kulkevat käännöksessä ulompana kuin pyörät. Etuylitys on mitta etuakselistosta keulaan ja takaylitys taka-akselistosta perään.

Maavara on helppo kuvitella mutta sen selittäminen loogisesti on haastavaa. Jos kuvitellaan auton olevan absoluuttisen tasaisen pinnan päällä, on maavara tällöin etäisyys pinnasta matalimmalla olevaan auton osaan. Jos ajaa esimerkiksi kiven ylitse niin, että pyörät kulkevat kiven molemmin puolin, ei kivi saa olla korkeampi kuin maavara.

Maavaraa ei voi off-road-ajossa kuitenkaan ajatella vain lukuna. Maastossa ei ole absoluuttisen tasaisia pintoja. Jos vaikkapa toisen puolen pyörä meneekin alempana kuin vastakkainen pyörä, auton matalin kohtakin on entistä matalammalla. Esteiden yli ajamista pitääkin välttää viimeiseen asti, vaikka silmä harjaantuisi vertailemaan ajouralla olevien kappaleiden korkeutta maavaraan.

Kahluusyvyys tarkoittaa sitä, kuinka syvälle auto saa upota veteen. Jos auto menee syvemmälle, pääsee vesi herkkiin osiin. Pieniä määriä vettä toki roiskuu näyttävässä lätäkön läpi möyrimisessä joka tapauksessa, mutta auton arkojen osien pitäminen kokonaan vedessä voi niitä rikkoa.

Nousukulma kuvaa sitä, kuinka jyrkkää mäkeä auto voi nousta. Auto ei välttämättä jaksa nousta liian jyrkkää mäkeä, tai se voi keikahtaa taka-akselistonsa ympäri. Kuormituksella toki on merkitystä mäen nousemisessa.

M1G- ja N1G-luokan ajoneuvojen on itse asiassa lain mukaan kyettävä nousemaan tietynlaista mäkeä. Laki määrittelee mäen jyrkkyyden prosentteina. Se ei ole sama asia kuin nousukulma, mutta samalle mäelle voidaan toki laskea nousukulma. Mäen jyrkkyyden ollessa vaikkapa 20 % nousee mäki 20 metrin korkeuteen 100 metrin matkalla. Tälläisen mäen nousukulman voi laskea helposti trigonometrian avulla, mutta nyt en jaksa kaivaa laskinta.

Kallistuskulma kuvaa sitä, miten jyrkästi auto voi olla sivuttaissuunnassa kallellaan. Se on siis akseliston suuntaisesti piirretyn, pyörien pohjaa sivuavan janan sekä vaakasuoran janan välinen kulma. Liian jyrkässä mäessä vaarana on auton keikahtaminen.

Lähestymiskulma tarkoittaa auton pyörien alla kulkevan suoran ja etupyörästä lähtevän, auton keulan alakulmaa sivuavan suoran välistä kulmaa. Nousukulman suuruus ratkaisee esimerkiksi lähdettäessä nousemaan tasaiselta maalta rinnettä.

Jättökulma eli poistumiskulma tarkoittaa auton pyörien alla kulkevan suoran ja takapyörästä lähtevän, auton perän alakulmaa sivuavan suoran välistä kulmaa. Jättökulma on merkityksellinen ajettaessa esimerkiksi rinteestä tai kiven päältä tasaiselle maalle.

Mkulmat lähestymis poistumisRamppikulma kertoo käytännössä saman asian kuin maavara mutta eri tavalla. Ramppikulma määritellään useilla tavoilla, mutta yksi tapa esitetään tässä. Se on siis pyöristä lähtevien, auton pohjan keskipisteessä leikkaavien suorien välinen kulma. Toinen vaihtoehto on auton pohjan suuntaisen suoran ja pyöristä tulevien suorien välinen kulma.

Joka tapauksessa mitä suurempi ramppikulma on, sitä korkeampien esteiden yli autolla voi ajaa.

Mkulmat ramppi

Näin toimivat jakolaatikko ja alennusvaihteisto

Valinnaisesti nelivetoisissa autoissa kuljettaja päättää sen, milloin vetäviä pyöriä on kaksi ja milloin neljä. Sen lisäksi kuljettajalla on mahdollisuus valita tarvittaessa hidas välitys, jolloin pyöriin tulee enemmän voimaa alhaisessa vauhdissa. Moottorista tulevan voiman etu- ja taka-akseliin jakaa jakolaatikko, ja hitaasta välityksestä huolehtii jakolaatikossa oleva alennusvaihteisto.

Jakolaatikon rakenne

Moottorin tuottama voima on siirtynyt joko kytkimen tai momentinmuuntimen kautta vaihteistoon, ja vaihteistosta voima pitää saada eteen ja taakse. Näinpä voimansiirrossa jakolaatikon paikka on vaihteiston jälkeen. Akseleihin voima siirtyy kardaaniakseleita pitkin, eli valinnaisesti nelivetoisessa autossa voidaan katsoa olevan etu- ja takakardaaniakselit. Taakse kardaaniakseli kulkee suoraan kutakuinkin samassa tasossa kuin kaikki edeltävät voimansiirron akselit. Eteen menevä kardaani ei kuitenkaan voi olla samassa tasossa, koska silloinhan sen pitäisi lävistää vaihteisto, kytkin ja moottori.

Siispä jakolaatikko ulottuu vaihteiston ja moottorin ääriviivojen ulkopuolelle. Tällöin osa voimasta täytyy saada siirtymään kohtisuorasti taka-akseliin menevään linjaan nähden. Usein tähän tarkoitukseen käytetään ketjua, koska se on kevyt, pienikokoinen ja varsin kestävä sovellus. Ketjun vaihtoehto ovat hammaspyörät.

Moottorin vauhtipyörän keskipisteestä taka-akselin tasauspyörästön keskikohtaan voiman voimme kuvitella kulkevan kutakuinkin yhtä viivasuoraa, mutta ei katkotonta, akselia pitkin. Kutsutaan selkeyden vuoksi jakolaatikon sisässä olevaa osaa tuosta akselista pääakseliksi. Jakolaatikon ulkoseinästä tasauspyörästöön asti sama akseli on takakardaani. Toisen ulkoseinän ja moottorin välillä akseli on vain moottorista tuleva akseli.

2WD:n ja 4WD:n kytkentä

Voimans, jakolaatikko 2WD-4WDKaksivedossa voiman kulku etuakseliin on poikki ja nelivedossa se taas ei ole. Voima katkeaa varsin odotetusti ketjun ja pääakselin liitoskohdassa, eli kaksivedossa moottori ei pyöritä mitään etuakseliin menevistä osista.

Yksinkertaistetusti etukardaanin päässä on hammaspyörä, ja ketju on sen ympärillä. Yhtä lailla pääakselissakin on hammaspyörä, ja ketju menee senkin hammaspyörän ympäri. Tämä hammaspyörä ei kuitenkaan pyöri pääakselin mukana. Sen sijaan vähän matkan päässä oleva toinen hammaspyörä pyörii pääakselin mukana. Näiden kahden hammaspyörän välissä on kytkentäholkki.

Kun kuljettaja on valinnut kaksivedon, kytkentäholkki on irti pääakselin mukana pyörivästä hammaspyörästä. Toisin sanoen kun moottori ja vaihteisto pyörittävät pääakselia ja siirtävät näin voimaa taka-akseliin, ei ketjun hammaspyörä pääse pyörimään mukana. Etuakseliin ei mene voimaa lainkaan.

Kun kuljettaja valitsee nelivedon, kytkeytyy ketjun hammaspyörän kytkentäholkki pääakselin mukana pyörivään hammaspyörään. Tällöin moottori ja vaihteisto alkavat pyörittää siis ketjun välityksellä etukardaania, jolloin veto siirtyy etuakseliinkin ja sitä kautta etupyöriin.

Nopea ja hidas välitys

Voimans, jakolaatikko 4H-4LAlennusvaihteistokin on osa pääakselia. Pääakselilla on nimittäin lähellä toisiaan kaksi hammaspyörää ja niiden välissä kytkentäholkki. Nelivedon valitsimella kuljettaja liikuttaa kytkentäholkkia. Kaksi hammaspyörää ovat kosketuksissa kumpikin yhteen hammaspyörään, ja näiden hammaspyörien välissä on kiinteä akseli. Hammaspyörä B ei pyöri pääakselin mukana. Hammaspyörä A sen sijaan pyörii moottorista tulevan akselin mukana. Pääakseli ja moottorista tuleva akseli ovat nekin toisistaan irrallaan.

Kun välitys on nopea, eli voima kulkee moottorista normaalisti pyöriin, holkki on kiinni hammaspyörässä A. Koska holkki on kiinteästi pääakselissa kiinni ja koska hammaspyörä A pyörittää holkkia, pyörii koko pääakselikin. Tässä tilanteessa hammaspyörillä ei ole oikeastaan mitään merkitystä, koska ne eivät vaikuta voima kulkuun. Voimaa kulkee sellaisenaan moottorista ja vaihteistosta eteenpäin.

Kun kuljettaja asettaa valitsimen hitaan välityksen asentoon, siirtyy holkki kiinni hammaspyörään B. Nyt voima moottorista ei kulje enää yhtä suoraa linjaa pitkin, vaan siirtyykin hammaspyörästä A siinä kiinni olevaan hammaspyörään, sitten poikkiakselin kautta viereiseen hammaspyörään ja sen välityksellä hammaspyörä B:hen. Koska B on kiinni holkissa ja koska holkki taas on kiinteästi pääakselissa, pyörii pääakselikin.

Ero onkin nyt se, että neljä hammaspyörää ovat muuttaneet voiman suhdetta. Pääakseli pyörii esimerkiksi kolme kertaa hitaammin kuin moottorista tuleva akseli, mutta vääntöä on enemmän. Käytössä on siis hidas välitys.