STRUCTURA, CINEMATICA ŞI COMANDA UNEI CUTII DE VITEZĂAUTOMATĂ PENTRU AUTOVEHICULE

Inocenţiu MANIU, Ştefan VARGA

Universitatea "Politehnica" din Timişoara

Abstract: The increase in traffic density on public roads has lead to increase in frequency of driving maneuvers for adjusting the power transmitted to the automobile wheels. With the traditional automobile design, the driver has to dived his attention between three pedals (gas, brake and coupling) and the stick shift. In heavy traffic, this leads to a serious decrease in driver concentration reducing his ability to promptly respond to unexpected events. The driver of an automobile equipped with an automated gear box has to control only two pedals (gas and brake). The coupling pedal is completely eliminated while the stick shift is replaced by a regime selector which allows the driver to prescribe before starting or to adjust while cruising the driving speeds to be engaged. The design of the automated gear box is hydraulically and mechatronically integrated with the kinematics and control described in the present paper Cuvinte cheie: Cutie de viteză automată, raport de transmitere, integrare hidromecatronică, traductori şisenzori, decizie artificială.

1. Structura unei cutii de viteză automată

Cutiile de viteză automate sunt sisteme tehnice hidromecatronice, care servesc la comutarea automată a 3 sau 4 trepte de viteză pentru mersul înainte şi la comutarea prin comandă manuală a unei trepte de viteză pentru mersul înapoi.

Cutia de viteză automată constă dintr-un subsistem mecanic, unul hidraulic şi un subsistem electric-electronic. Subsistemul mecanic asigură realizarea rapoartelor de transmitere, selectarea elementelor de intrare în transmisia cutiei pentru obţinerea diferitelor trepte de viteză şi adaptarea momentului rezistent redus la arborele cotit cu momentul motor disponibil la acesta. Prima funcţie se realizează prin intermediul unui tren de roţi dinţate cicloidal, de structură variabilă, cea de a doua funcţie se realizează prin intermediul unui set de cuplaje şi

frâne cu fricţiune iar cea de a treia funcţie se realizează cu ajutorul unui convertizor de cuplu. Subsistemul hidraulic elaborează şi distribuie agentul hidraulic (ulei) pe patru nivele de presiune: pentru convertizorul de cuplu de 5 bari, pentru acţionarea cuplajelor şi frânelor de fricţiune (presiunea de linie) de 10 bari şi pentru aparatura de distribuţie a presiunii de linie două presiuni de comandă, respectiv de 1.75 bari şi de 3.15 bari. Subsistemul electric-electronic achiziţioneazăinformaţii despre poziţia cheii de contact, poziţia selectorului de regim, turaţia motorului, viteza vehiculului, poziţia pedalei de acceleraţie, presiunea de linie şi temperatura uleiului, analizează aceste informaţii, decide şi emite semnalele de comandăpentru schimbarea sau nu a treptei de viteză, pentru semnalizarea la bord a stării de funcţionare şi emite la cerere semnale pentru autodiagnoză. Componenta centrală a subsistemului electric-electronic este o

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV Catedra Design de Produs şi Robotică

Simpozionul naţional cu participare internaţionalăPRoiectarea ASIstată de Calculator

P R A S I C ' 02 Vol. III – Design de Produs

7-8 Noiembrie ■ Braşov, România ISBN 973-635-076-2

placă cu circuite electronice de analiză şi decizii, alimentată de la acumulator. Semnalele de intrare ale plăcii sunt asigurate de un set de traductoare şisenzori, iar semnalele de ieşire sunt livrate prin cablajul vehiculului, pe de o parte la electrovalvele de pilotare ale subsistemului hidraulic iar pe de altăparte la aparatura de semnalizare de pe bord, respectiv, la cutia de diagnoză.

2. Transmisia

Schema transmisiei folosite la o cutie de vitezăautomată depinde de numărul treptelor de viteză derealizat şi de producător. Pentru obţinerea a patru trepte de viteză la mersul înainte şi a uneia la mersul înapoi, firma Renault utilizează trenul cicloidal de roţi dinţate propus de Ravigneaux (Fig. 1).

Acesta se compune din trei roţi centrale R1, R2 şi R3, un portsatelit PS şi două roţi satelit S1 şi S2, având numerele de dinţi: zR1 = 21, zR2 = 27, zR3 = 57, zS1 = 15 şi zS2 = 14. Elementele de intrare sunt diferite combinaţii de câte două ale elementelor R1, R2 şi PS iar elementul de ieşire este coroana R3, cu dantură interioară. În Tab.1 se prezintă raporturile de transmitere realizate în diferite combinaţii ale elementelor de intrare [1]. Prin starea "1" s-a notat elementul antrenat, iar prin starea "0", elementul aflat în repaus.

Tab. 1 Rap. de transmitere Stare de mişc. Treapta

de viteză Relaţie Val. R1 R2 PS 1 1R3R1 zzi = 2.71 1 - 0 2 ( ) 41R3R2 izz1i ⋅+= 1.55 1 0 - 3 1i3 = 1.0 1 1 - M

ers

înai

nte

4 ( )2R3R3R4 zzzi += 0,68 - 0 1 Mers înap 2R3R1 zzi −= -2.11 - 1 0

3. Convertizorul de cuplu

Convertizorul de cuplu îndeplineşte rolul unui ambreiaj automat. El este amplasat în fluxul de putere creat de motor, înaintea transmisiei. Construcţia convertizorului este redată în Fig. 2.

El are o carcasă antrenată de arborele cotit al motorului, fiind umplută cu ulei sub presiune. Carcasa este solidarizată cu paletele unei pompe, amplasate în faţa paletelor unei turbine rotitoare. Între paletele pompei şi cele ale turbinei se găseşte un rotor cu palete de reacţie. Convertizorul are douăelemente de ieşire, respectiv, turbina şi carcasa. Turbina este pusă în mişcare, de presiunea dinamicăa jetului de ulei, aruncat de paletele pompei. Reactorul serveşte la deflectarea jetului reflectat de pe paletele turbinei pe direcţia rotirii pompei, în scopul creşterii randamentului convertizorului. Dacă momentul rezistent redus la axa turbinei este mai mare decât momentul motor redus, generat de presiunea dinamică a jetului de ulei, turaţia turbinei rămâne în urma turaţiei pompei. Acest fenomen, denumit "alunecare hidrodinamică", se stabilizează automat la egalizarea momentelor. Alunecarea hidrodinamică permite trimiterea mişcării turbinei spre transmisie fără smucituri.

4. Selectorul elementelor de intrare

Conform celor specificate în Tab. 1, treptele de viteză depind de stările de mişcare imprimate la două elemente de intrare ale transmisiei din trei posibile (R1, R2, PS). Prescrierea celor douăelemente de intrare necesare pentru angajarea unei trepte de viteză dată se realizează prin intermediul unui selector automat. Acest selector este amplasat între convertizorul de cuplu şi transmisia cutiei de viteză, aşa cum s-a reprezentat în Fig. 3. Selectorul elementelor de intrare conţine trei cuplaje cu fricţiune (C1, C2, C3), două frâne cu fricţiune (F1, F2) şi un cuplaj de sens CS.

PompăTurbină

Reactor Sensul antrenării

carcasei

Jet aruncat

Jet reflectat

Jet

defle

ctat

Fig. 2 Schema convertizorului de cuplu

Fig. 1 Schema transmisiei "Ravigneaux"

R3

S1

S2

R2

R1

PS

Componentele cu fricţiune sunt acţionate hidraulic prin presiunea de linie. În stările acţionate se realizează următoarele funcţii de cuplare: � cuplajul C1 conectează arborele A1 al turbinei cu roata R1; � cuplajul C2 conectează arborele A1 al turbinei cu roata R2; � cuplajul C3 conectează arborele A2 al carcasei convertizorului cu portsatelitul PS; � frâna F1 conectează carterul cu portsatelitul PS; � frâna F2 conectează carterul cu roata R2; � cuplajul de sens CS împiedică mecanic rotirea portsatelitului PS în sensul invers al roţii R3.

Pornind de la semnificaţiile funcţiilor de cuplare şicunoscând stările de mişcare ale elementelor de intrare în transmisie (Tab.1), se deduce tabloul stărilor de acţionare ale componentelor selectorului pentru diferite trepte de viteză (Tab.2). Stările acţionate sunt notate cu "1" iar stările neacţionate cu "0".

Tab. 2 Stări de acţ. ale comp. selectorului Treapta

de viteză C1 C2 C3 F1 F2 CS 1 1 0 0 0 0 12 1 0 0 0 1 03 1 1 1 0 0 0M

ers

înai

nte

4 0 0 1 0 1 0Mers înap 0 1 0 1 0 0

5. Subsistemul hidraulic

Subsistemul hidraulic se compune din sorb, pompă, dispozitive de reglare şi de distribuţie, elemente de reţea (supape de sens, de siguranţă,drosele de cale, etc). Dispozitivele de reglare şi dedistribuţie sunt pozate într-un bloc hidraulic. Alcătuirea blocului hidraulic este prezentată în Fig. 4.

Arbore cotit C

upla

jde

sens

Rea

ctor

Turb

ină

Pom

pă

C1

F1

C2

F2

C3

CS

Car

ter

R1

R2

S1S2

R3

PS

Tolă

dean

trena

re

Fig. 3 Amplasarea selectorului elementelor de intrare în construcţia cutiei de viteză automată

Sele

ctor

ulel

emen

telo

rde

intra

reîn

trans

mis

ie

Tran

smis

ieC

onve

rtizo

r

A1

A2

DS1

Fig. 4 Blocul hidraulic de reglare şi distribuţie

DS2

DS3

DAP

E1

E2

E3

E4

EM DM

RPL

RP2

SS

V2

V1

RP3

RP1

Dispozitivele acestui bloc sunt: � SS - supapă de siguranţă;� DM - distribuitor manual acţionat de la selectorul de regim; � RP1 - regulatorul presiunii de comandă de 3.15bari ; � RP2 - regulatorul presiunii de comandă de 1.75bari ; � RP3 - regulatorul presiunii de lucru pentru convertizor (5 bari); � RPL - regulatorul presiunii de linie; � DS1, DS2, DS3 - distribuitoare secvenţiale pentru alimentarea cuplajelor şi frânelor; � DAP - distribuitor pentru alimentarea progresivăa receptoarelor hidraulice; � V1, V2 - valve de întrerupere; � E1, E2, E3, E4 - electrovalve de pilotare a distribuitoarelor secvenţiale şi de alimentare progresivă;� EM - electrovalvă de modulare a presiunii de linie; � V1, V2 - vane de întrerupere.

Convertizorul de cuplu, respectiv, cuplajele şifrânele din selectorul elementelor de intrare în transmisie constituie receptoarele hidraulice. Ele sunt integrate cu dispozitivele subsistemului hidraulic prin intermediul reţelei hidraulice [2], reprezentată simplificat în Fig. 5.

Reţeaua hidraulică permite acţionarea selectivă areceptoarelor prin conectarea automată a unora din ele la presiunea de linie şi descărcarea concomitentăa altora, în funcţie de treapta de viteză de realizat.

Presupunând motorul pornit şi selectorul de regim adus în poziţia "Automat" (la mersul înainte) sau "Recul" (la mersul înapoi), conexiunile realizate de reţeaua hidraulică se stabilesc în funcţie de stările momentane ale electrovalvelor de pilotare. Aceste stări depind de distribuţia tensiunilor de comandăprimite de la placa de analiză şi decizie electronică.

Sub tensiune, fiecare electrovalvă reţine presiunea de 3.15 bari aplicată la una din cavităţile distribuitorului pilotat, împingând sertăraşul acestuia în extremitatea opusă.

Fără tensiune, electrovalva descarcă presiunea de 3,15 bari în carter, permiţând presiunii de 1.75 bari din cealaltă cavitate să împingă sertăraşul în sens invers.

Prin deplasarea sertăraşelor în distribuitoarele secvenţiale conexiunile hidraulice se modifică, asigurând repartizarea presiunii de linie pe receptoarele dorite. Stările electrovalvelor, pentru cuplarea diferitelor trepte de viteză, sunt specificate în Tab. 3. Starea sub tensiune este notată cu "1" iar starea fărătensiune cu "0".

Tab. 3 Stările electrovalvelor de select. a vit.Treapta

de viteză E1 E2 E3 1 0 1 02 0 0 13 1 0 0M

ers

înai

nte

4 1 1 1Mers înap 0 0 0

Se redau mai jos, traseele uleiului sub presiunea de linie, pentru cazul treptelor de viteză stabile. În simbolizarea dispozitivelor, indicele inferior reprezintă numărul orificiului de intrare iar cel superior - numărul celui de ieşire, conectate de dispozitivul respectiv. � E2 în starea "1", E1 şi E3 în starea "0":

1C1VDAPDM 21

21

21 →→→ (1)

C1 acţionat, împreună cu CS asigură prima treaptăde viteză (v. Tab. 2). � E3 în starea "1", E1 şi E2 în starea "0":

1C1VDAPDM 21

21

21 →→→ (1)

2F2V3DS2DSDAPDM 21

21

21

43

31 →→→→→ (2)

C1 şi F2 acţionate, asigură a 2-a treaptă de viteză.� E1 în starea "1", E2 şi E3 în starea "0":

1C1VDAPDM 21

21

21 →→→ (1)

2C3DS2DSDAPDM 31

21

43

31 →→→→ (3)

3C1DS2DSDM 21

43

21 →→→ (3')

C1, C2 şi C3 acţionate, asigură împreună a 3-a treaptă de viteză.

C1 C2 C3 F2 F1

V2V1

E1E2E3E4

DS1

DS2

DS3DA

P

EM RPL

SS

Sorb

Pompă

DM

RP2 RP1RP3

Convertizor de cuplu

1.75

bari

3.15

bari

Pres

iune

delin

ie

Fig. 5 Schema simplificată a reţelei hidraulice

5 bari

1 2

34

5

1

2

3

12

34

12

34 1

2 34

5 5

1 23

4 5

1

2

3

r1

r2

� Toate electrovalvele E1, E2 şi E3 în starea "1": 3C1DS2DSDM 2

353

21 →→→ (4)

2F2V1VDAPDM 23

31

21

21 →→→→ (4')

C3 şi F2 acţionate, asigură treapta a 4-a de viteză.� Toate electrovalvele E1, E2 şi E3 în starea "0". Această situaţie apare dacă manşa selectorului de regim este adusă în poziţia "Recul", ceea ce modifică conexiunile în DM. Ca urmare, traseele de acţionare se stabilesc pe căile:

2C3DS2DSDAPDM 31

21

43

41 →→→→ (5)

1F1DS3DSDM 54

54

51 →→→ (5')

C2 şi F1 acţionate, determină treapta de vitezăpentru mers înapoi (Tab.2). În toate treptele de viteză stabilizate, electrovalva de pilotare E4 se găseşte în starea "0".

Pe durata tranziţiei dintr-o treaptă de viteză în alta, E4 este adusă în starea "1", ceea ce întrerupe în DAP legăturile dintre orificiile 1 - 2 şi 3 - 4. Uleiul va ocoli DAP prin rezistenţele hidraulice r1 şi r2 cu debit redus, asigurând cuplarea lină a receptoarelor.

Odată cu conectarea căilor de acţionare, reţeaua hidraulică asigură şi conexiunile de descărcare ale receptoarelor neacţionate. În Fig. 6 sunt ilustrate traseele de evacuare care se stabilesc prin preschimbarea stării electrovalvei de pilotare E1.

E1 în starea "0" (Fig. 6-a) deschide în DS1 traseul de evacuare a cuplajului C3. Ca urmare, valva V2 se comută pe poziţia de alimentare a frânei F2 (condiţie necesară la a 2-a treaptă de viteză).

E1 în starea "1" (Fig. 6-b) închide la DS1 orificiul de evacuare a lui C3, deschizând concomitent un orificiu pentru evacuarea uleiului din puntea de comandă a lui V2. În urma modificării presiunilor de comandă, valva V2 conectează calea de evacuare a uleiului din frâna F2, prin valva V1 la carter (condiţie impusă la a 3-a treaptă de viteză).

În fazele de staţionare ale autovehiculului cu motorul pornit, surplusul de ulei refulat de pompăeste evacuat din instalaţie pe două căi (Fig. 7).

Prima cale se realizează prin jigloarele J1, J2 şidistribuitorul manual DM, care la staţionare are orificiul de golire "o" deschis.

Presiunea micşorată dintre jigloare, prin pistonul P va deplasa tija T a regulatorului RPL, deschizând cea de a doua cale de descărcare a uleiului spre sorb. Cantitatea uleiului evacuat pe a doua cale asigurămenţinerea în porţiunea de reţea, cuprinsă între RPL şi DM, a presiunii de linie. Pe durata de staţionare electrovalva de modulare este ţinută în starea "0", cu ventilul aşezat pe scaun.

La trecerea în regim automat, distribuitorul DM închide orificiul "o", anulând prima cale de evacuare. Ca urmare, presiunea uleiului dupăjiglorul J1 va creşte, deplasând suplimentar tija T a regulatorului RPL. Prin descoperirea muchiei de reglare, curgerea uleiului spre sorb este mai uşoară,deci presiunea de linie se reduce.

Diminuarea acestei presiuni poate provoca patinări în cuplajele şi frânele selectorului de viteze. Pentru evitarea acestui pericol serveşte electrovalva de modulaţie EM. La tendinţele de diminuare a presiunii, electrovalva EM este trecută alternativ, cu frecvenţă de 100 Hz, în starea "1". La fiecare impuls, supapa electrovalvei se ridică de pe scaun, evacuând ulei şi reducând presiunea de comandă de 3.15 bari în conducta dintre droselul de cale DC şi EM. Prin reducerea presiunii de comandă, tija T se deplaseazăinvers, acoperind parţial muchia de evacuare a regulatorului RPL şi readucând presiunea de linie la valoarea nominală. Din acel moment electrovalva EM rămâne în aşteptare în starea "0".

6. Subsistemul electric-electronic

Subsistemul electric-electronic este esenţial pentru administrarea fluxului informaţional între om-vehicul şi invers în general, respectiv, între subsistemele cutiei de viteză în particular [3].

De la C3 Spre C3 3.15 bari

Evac.C3

E1-"0" E1-"1"

V2

V1V1

V2

Evac.F2

Spre

F2

De

laF2

1.75 bari

Pres. de lin.

a) b)

Evac

.pun

te

Fig. 6 Comutarea evacuării receptorului C3 la F2 prin schimbarea stării electrovalvei EP1 de la "0" la "1"

DS1

Fig. 7 Schema de modulare a presiunii de linie

DM

EM

DC

RPL

P

1.75 bari

3.15 bari

Spre

R3

De

lapo

mpă

Spre

sorb

J1

J2

To

Subsistemul electric-electronic poate gestiona informaţii exprimate numai prin semnale electrice. Partea de subsistem care realizează achiziţia, analiza şi decizia emiterii semnalelor cu diferite destinaţii, este prezentată în Fig. 8.

Pentru achiziţia şi transformarea informaţiei în semnal electric sunt utilizate diferite traductoare. � Traductorul de deschidere a clapetei de gaz elaborează o tensiune electrică proporţională cu gradul de apăsare a pedalei de acceleraţie. � Traductorul de turaţie a motorului furnizează otensiune electrică proporţională cu turaţia arborelui cotit. � Traductorul de viteză a vehiculului induce o tensiune electrică proporţională cu turaţia coroanei de ieşire R3 a transmisiei. � Traductorul de presiune produce o tensiune electrică proporţională cu valoarea presiunii de linie. � Traductorul de temperatură dă la ieşire o tensiune electrică proporţională cu temperatura uleiului din blocul hidraulic. � Contactorul multifuncţional stabileşte combinaţii de tensiuni dependente de poziţia manetei selectorului de regim. Contactorul are două butoane acţionate de la o camă solidară cu maneta selectorului amintit (Fig. 9). Fiecare buton are trei poziţii: liber (-1), mijloc (0), apăsat (1). Semnificaţiile combinaţiilor de contacte realizate sunt specificate în Tab. 4.

Tab. 4 Poziţiile butoanelor Regimul

de lucru B1 B2

1 1 02 1 13 0 1A 0 0N -1 0 R 0 -1 P -1 0

Prin conductori şi conectori informaţiile se aduc la placa electronică de analiză şi decizie. Aceasta procesează informaţia primită şi emite în timp real, semnale pentru semnalizare şi diagnoză, comanda demarorului şi comanda electrovalvelor de pilotare şimodulare din blocul hidraulic, în funcţie de regimul de lucru selectat de şofer. În regimurile P (Parcare) sau N (Neutru) placa electronică nu autorizează decât pornirea demarorului. În regimul R (Mers înapoi) circuitul electronic emite numai comenzile necesare mersului înapoi. În regimul A (Automat) se emit comenzi pentru cuplarea treptei de viteză optimă, luând în considerare toate cele patru trepte de mers înainte. Regimurile 3 sau 2 autorizează angajarea automată atreptei de viteză optimă, luând în considerare numai primele trei sau primele două trepte de mers înainte. Regimul 1 nu permite decât deplasarea înainte în prima treaptă.

Bibliografie 1. Maniu In., Varga Şt. Les trains cycloïdaux qui

équipent les boîtes de vitesses automatiques. Tenth World Congress on the Theory of Machine and Mechanisms, Vol.7, Oulu, Finland, 1999, p. 2678-2683.

2. Maniu In. Le circuit hydraulique de commande d'un boîte de vitesses automatique. The seventh International Symposium SYROM, Vol. 4, Bucureşti, 1997, p. 85-90.

3. *** La transmission automatique AR4. Centre de Formation Après-Vente, Régie Nationale des Usines Renault, 1988.

Bloc hidraulic cu electrovalvele

E1, E2, E3, E4, EM

Cutia plăcii electronice de

analiză şi decizii

Trad. de presiune

Trad. de temperatură

Con

tact

orm

ultif

uncţ

iona

l

Trad

.de

vite

zăa

vehi

culu

lui

Trad

.de

desc

hide

rea

clap

etei

dega

z

Trad. de turaţie a motorului

Fig. 8 Subsistemul de achiziţie semnale, analiză şi decizie

Ieşiri la: - demaror; - lampa de mers înap. - contact frână;- semnalizări bord;

Con

tact

orm

ultif

uncţ

iona

l

Maneta selectorului de regim

Camă

Regimuri de lucru

selectabile

Fig. 9 Comanda regimului de lucru

B1

B2