Käsivaihteistojen ja voimansiirtojärjestelmien perusteet

Peruskäsitteet:
Newtonin lain mukaan voima [F] = massa [m] × kiihdytys [a]
Voiman mittayksikkö: newton [N]

Vääntömomentti [M] = voima [F] × vipuvarsi [r]
Vääntömomentin mittayksikkö: newtonmetri [Nm]

Teho [P] = voiman [F] ja matkan [s] suhde aikaan [t]
Voidaan laskea myös: P = M × pii × n / 30
Tehon mittayksikkö on watti [W] tai kilowatti [kW]

Voimankulku kuvaa reittiä jonka kautta moottorin tuottama käyttövoima kulkeutuu vetäville pyörille.

Paine [P] = F / A (pinta-ala)
Paineen mittayksikkö on bar [10 N / cm2]

Hydraulipuristin: Suljetussa hydraulijärjestelmässä vallitsee kaikkialla sama paine [p]. Jos järjestelmässä on kaksi mäntää, niihin pätee voiman ja pinta-alan suhde.

Kiinteä liitos saadaan, kun esim. kahta kappaletta puristetaan yhteen, etteivät ne kitkavoimien vuoksi voi liikkua toisiinsa nähden.

Jos esim. kiila sovitetaan kahteen osaan niin, että siihen kohdistuu leikkausrasituksia voimansiirron aikana, liitos on muotoliitos.

Voimansiirto:

Etuveto: Moottori, vaihteisto, kytkin, vetopyörästö ja tasauspyörästö kytketty yhdessä etukäyttöaggregaattiin. Taipumusta aliohjaukseen kaarreajossa.

Takaveto: Vetopyörästö ja tasauspyörästö muodostavat yhden toimintakokonaisuuden vetoakselien kanssa. Tavallisessa takavetojärjestelmässä moottori, kytkin ja vaihteisto ovat auton etuosassa. Taipumusta yliohjata kaarreajossa.

Neliveto: Perustuu takapyörävetojärjestelmään, jossa vaihteiston ja nivelakselin välille kytketty jakovaihteisto. Kuluttaa enemmän polttoainetta ja renkaita.



Kytkin:

Kytkimen tehtäviä on välittää moottorin vääntömomentti vaihteistolle, mahdollistaa auton liikkeellelähtö (luistattaminen), keskeyttää moottorin ja vaihteiston välinen yhteys vaihteiden kytkemisen ajaksi, vaimentaa vääntövärähtelyjä sekä suojata moottoria ja voimansiirron osia ylikuormittumiselta.

Kuva: Ford eLearning

1) Kytkimen työsylinteri

2) Kytkimen painelaakeri

3) Kytkimen painelevy

4) Kytkinlevy

5) Sisäänmenoakselin ohjainlaakeri

6) Vauhtipyörä

7) Kytkinpoljin

8) Kytkimen pääsylinteri

Vaijerilla toimiva kytkin: Polkimen liike välitetään teräsvaijerilla kytkimen irrotusvipuun ja painelaakeriin.

Hydraulinen kytkin: Kytkimen pääsylinteri asennettu polkimen yhteyteen. Työsylinteri ja kytkimen painelaakeri vaihteiston yhteydessä.

Poljinta painettaessa voima vaikuttaa kytkintä irrotettaessa kytkinpolkimen vivuston kautta pääsylinterin mäntään. Paine siirtyy putkea ja yhdysletkua pitkin vaikuttamaan työsylinterin mäntään voimalla, joka käyttää männän välityksellä kytkimen painelaakeria ja irrottaa kytkimen.

Levyjousikytkin: Kytkinlevy on sijoitettu vauhtipyörän ja painelevyn väliin. Lautasmainen, säteittäin leikattu levyjousi toimii puristusvoiman tuottamisen lisäksi irrorusmekanismina. Kytkimen ollessa kiinnikytkettynä levyjousi painaa panelevyä kytkinlevyä vasten ja niitä levyjä vauhtipyörää vasten. Irrotettuna kytkimen painelaakeri painaa levyjousta vasten ja levyjousen kielekkeet kääntyvät ja painelevy vapautuu kuormityksesta. Voimankulku katkeaa.

Vauhtipyörä on laipoitettu kampiakseliin sekä tasapainotettu staattisesti ja dynaamisesti yhdessä kampiakselin kanssa.

Vauhtipyörä varastoi osan työtahdin aikaisesta liike-energiasta. Varastoitu energia käytetään tyhjien tahtien ja kuolokohtien aikana. Vauhtipyörä varmistaa kampiakselin tasaisen pyörimisen massan hitausvoiman ansiosta. Kytkin on kiinnitetty siihen ja käynnistinmoottorin hammaspyörä kytkeytyy vaihtupyörän hammaskehään.

Käsivaihteisto muuttaa moottorin pyörimisnopeuden eri ajonopeuksille, muuttaa ja välittää tarvittavan moottorin vääntömomentin kaikissa kuormitustilanteissa, keskeyttää voimankulun moottorin ja vetävien pyörien välillä sekä vaihtaa vetävien pyörien pyörimissuunnan.

Vaihteistokotelo: Useimmin kevytmetallista tai valuraudasta. Vaihteistokotelon tuuletuksen tarkoitus on tasata käytön aikana muodostuva ylipaine.

Veihteensiirtomekanismi: Järjestelmä, joka vaihtaa vaihdevivulla valitun vaihteen. Valitsinakselit toimivat siirtohaarukoiden ohjaamina.

Peruutusvalokytkin: Yleensä asennettu vaihteistokotelon ulkopuolelle. Sitä käytetään vaihteiston sisäpuolelta esim. pääakselliin asennetulla tapilla.

Samanlinjaisilla akseleilla toimiva vaihteisto (3-akselinen vaihteisto): Asennetaan etumoottorilla varustettuihin ja takavetoisiin autoihin.

Erilinjaisilla akseleilla toimiva vaihteisto (2-akselinen vaihteisto): Asennetaan etumoorrorilla varustettuihin etuvetoihin tai takamoottorilla varustettuihin takavetoihin.

Sykronointilaitteiden tehtävä on tasata siirtoholkin ja kytkettävän pyörän (vapaasti pyörivän) väliset pyörimisnopeuserot ja tehdä vaihtamistapahtumasta hiljainen ja rauhallinen sekä nopea.

Vaiheistoöljy: Vaatimuksina hyvä kuormituksenkestävyys, viskositeetin säilyvyys samana lämpötilamuutoksista huolimatta, vanhenemisen kestokyky, vähäinen vaahtoutumistaipumus ja neutraalius tiivistemateriaalien suhteen. Vaatimukset täyttyvät, kun puhtaaseen öljyyn sekoitetaan lisäaineita.

Hammaspyörät: Pyörä, jonka kehällä on hampaita ja hammasvälejä. Voimansiirto tapahtuu muotoliitosten ansiosta.

Tehtävät: vääntömomentin välitys, pyörimisnopeuksien säilytys tai muuttaminen, pyörintäsuunnan vaihtaminen. 

Yksinkertainen synkronointi: Yleensä suurempien vaihteiden yhteydessä käytettävä. Tehtävänä tasata pyörimisnopeudet vaihdehammaspyörän ja siirtoholkin välillä ja varmistaa vääntömomentin siirtäminen vaihdehammaspyörältä akselille, kun vaihde on kytketty.

Kaksinkertainen synkronointi: Synkrtonointikartio kiinnitetty hammaspyörään = kaksi kitkapintaparia. Käytetään yleensä alhaisilla vaihteilla.

Nivelakselia käytetään tavallisesti takavetoisissa autoissa vaihteiston ja taka-akselin välillä. Tehtävät ovat välittää vääntömomenttia, mahdollistaa kulmien muutokset ja sallia pituusmuutokset.

Etu- ja takavetoakselit: Etuvedossa vaaihteiston ja pyörännapojen välissä ja takavetoisessa erillisjousitetussa autossa takavetopyörästön ja pyörännapojen välissä.

Vetoakseli kompensoi ajossa aiheutuvat ylös- ja alasliikkeet. Ohajauspyörää käännettäessä sen pitää sallia jopa 50°:n kulmamuutos. Ne myös tasoittavat pyörintäliikkeen, jotta värinä ei haittaa ohjausta.

Vetoakselin tehtävät: vääntömomentin välitys, suurten kulmamuutosten salliminen ja pituusmuutosten salliminen.

Vetävä taka-akseli ja tasauspyörästö: 

Taka-akselin tehtäviä: sen akselikoteloon kiinnitetään jousitus ja sitä käytetäänn myös tukemiseen. Vetopyörästö kääntää nivelakselin pyörimissuuntaa 90°. Tasauspyörästö tasaa pyörien pyörintänopeuserot. Vetoakselit siirtävät pyörintäliikkeen pyörille.

Takavetopyörästön tehtäviä: vähentää vaihteistolta tulevaa pyörintänopeutta, kasvattaa vetomomentin noin nelinkertaiseksi ja välittää vääntömomentti vetäville pyörille.

Tasauspyörästön tehtäviä: vetävien pyörien pyörintänopeuksien erojen tasoittaminen ja vääntömomentin jakaminen tasaisesti vetäville pyörille, 

Nelivetojärjestelmät: moottorin tuottama voima välitetään vaihteiston kautta jakovaihteistolle, jonka tehtävä on jakaa voima molemmille akseleille. Kytkettävässä nelivedossa vetävän akselin pyörät ovat jatkuvasti käytössä ja toisen akselin pyörät otetaan käyttöön tarvittaessa. Jatkuvassa nelivedossa vetovoima välittyy molemmille akseleille jatkuvasti. Tässä tapauksessa tarvitaan keskitasauspyörästö, joka tasaa etu- ja taka-akselin pyörintänopeuserot.