Így működik az automata váltó

2016.12.16. 07:01
A ma használatos hagyományos motoroknál nem lehet megúszni a sebességváltót, de amióta a köznép is tömegesen autózik, megalkották a lustákkal, nagypapákkal, kuplung-antitalentumokkal és mozgássérültekkel is kompatibilis automata sebességváltókat.

Az automata váltó csúnya kifejezés, valójában automatikus, azaz önműködő a váltó, de ilyen apróságoknál ne is ragadjunk le, ez csak a mérnököknek probléma. A valóságban ez egy dolog, aminek azt köszönheti az emberiség, hogy nem kell sebességfokozatokat váltania.

Sebességváltóra ezekhez az ósdi belső égésű motorokhoz sajna szükség van, és hamarosan eljön az idő, amikor majd röhögve emlékezünk arra, hogy csecsemőtől az aggastyánig az emberek egy pedál nyomkodásával és egy kar rángatásával teremtették meg a megfelelő kapcsolatot a kerekek és a motor között. Erre elvileg egy majmot is be lehet tanítani, de a megfigyeléseink szerint vannak, akiknek hiányoznak a sebességváltás génjei. Ez különösen a XX. század közepén volt feltűnő, amikor még a kézi sebességváltók szinkronizálatlanok voltak, ezért váltáskor recsegtek, ha valaki nem érezte a dupla kuplungolást és gázfröccsel visszakapcsolást, ami aztán tényleg a váltás magasiskolája.

D-be rakod, és előrefelé megy, ha meg R-be, akkor hátra. Innentől csak nyomni kell a gázt
D-be rakod, és előrefelé megy, ha meg R-be, akkor hátra. Innentől csak nyomni kell a gázt
Fotó: Papp Tibor / Totalcar

Bár az automatikus sebességváltókat nem egyértelműen az amerikaiak találták ki, sőt, rossz nyelvek szerint egyenesen a franciák, de ahhoz nem férhet kétség: az amcsik terjesztették el széles körben. Később aztán jöttek a hollandok a fokozat nélküli, például szíjas automatikákkal, majd a Porsche-féle dupla kuplungos ötlet futott be szédítő karriert a VW-csoport és a Borg-Warner együttműködésének gyümölcseként, ezek ma már megkerülhetetlenek. De ettől még a klasszikus automata él és virul, megszabadult a túlsúlyától, sőt, ma már egyértelműen nem igaz, hogy növeli a fogyasztást, és sokszor már nemcsak elméletben. Ott ahol a legjobb váltási komfortra, nagy átvihető nyomatékra van szükség, a klasszikus automatát választják az autógyárak, arról nem is beszélve, hogy ezek jellegzetes kúszását bizonyos piacokon annyira megszokták a kuncsaftok, hogy megkerülhetetlen. És továbbra is ez a piacvezető az automaták között.

De minek a sebességváltó?

Mert így jön ki a matek. Igazság szerint a motor nyomatéka túl kicsi ahhoz, hogy az autó elindulni is képes legyen, ellenben túl sokat forog a főtengelye: ha egy átlagautó 195/65 R 15-ös kerekét megtekernénk hatezres fordulaton, az autó 200 métert tenne meg egy másodperc alatt, ami kábé 700 km/órás sebességet jelentene. (Egy ekkora kerék kerülete kb. 2 méter, és a hatezres percenkénti fordulat másodpercenként 100-at jelent.) Más kérdés, hogy a gumi szétszállna ilyen tempónál, és természetesen egy 1,6-os motor amúgy sem lenne képes ekkora teljesítmény leadására, és a mindennapi szaladgáláshoz is túlzásnak tűnik a 700 km/órás tempó, pláne a VÉDÁ-k korában. Szóval valahogy össze kell hozni a motor fordulatszámait a kerékével, no meg a jármű haladásához szükséges nyomatékot is elő kell varázsolni.

Akárcsak egy hegyibringán, itt is különböző áttételek válaszhatók a gyors és lassú menéshez, csak a sebességváltókban nem lánccal és lánckerekekkel, hanem fogaskerék-kapcsolatokkal érik el ezt. Ám az elv ugyanaz: elinduláshoz, függőleges falra felmászáshoz és vontatáshoz nagy nyomatékmódosításra van szükség, azaz – ha a bringánál maradunk – elöl kisebb, hátul nagyobb lánckerékre kerül a lánc. Ha viszont gyorsan akarunk haladni, elöl nagy kereket választunk, hátul kicsit. Persze ilyenkor meg lehet gebedni, olyan nehéz tekerni, a belső égésű motorból is ilyenkor szedjük ki a legnagyobb teljesítményt.

Ám a dugattyús motoroknak van egy átkozott nagy hátránya. Míg az ember a bringával simán elindul, ahogy rátapos a pedálra, addig a motorok bizonyos fordulatszám alatt nem termelnek annyi kraftot sem, ami a saját üresjáratuk fenntartásához elég, nem beszélve az elindulásról. Vagyis elindulás előtt már járatni kell őket, alapjáraton. Néha az is megesik, hogy a jármű lerohad, és álló motorral is tudni kell arrébb tolni/húzni a kocsit. Vagyis nem lehet mindig fix a kapcsolat a motor és a hajtott kerekek között. Ez azt jelenti, hogy kell a sebességváltóban egy olyan fokozat, ami ezt lehetővé teszi: az üres.

A hardver

A motor főtengelyét a csúnya nevű hidrodinamikus nyomatékváltóhoz csavarozzák (népnyelven citrom) az automata bemenő oldalán. Szegény motornyomaték itt komoly ellenállásba ütközik: meg kell forgatnia az úgynevezett szivattyúkereket. A rendszerben keringő olaj a túloldalon megforgatja a turbinakereket. Azaz a két oldal között nincs mechanikus kapcsolat, a nyomaték átvitelét az olaj áramlása hozza létre. Minél nagyobb a két oldal között a fordulatszám-különbség, annál nagyobb vehemenciával hajtja az olaj a turbinakerék lapátjait.

Itt kábé ugyanez történik két ventilátor között, csak épp a levegő viszi át a nyomatékot, nem az olaj. Csakhogy van itt egy kis veszteség, vagyis a turbinaoldal (vagyis a megfújt ventilátor) mindig picit lassabban forog, mint az, ami fújja.

A ventilátoros példához képest annyiban különbözik a valóság, hogy a nyomatékváltóban körbe-körbe áramlik a folyadék, mivel a centrifugális erő erre kényszeríti. A másik dolog, amiben a valódi nyomatékváltó különbözik az az, hogy van benne egy álló lapátsor (vezetőkerék), amely kicsit belenyúl a folyadék visszaáramlásába, amely meredekebb szögben érkezik meg a szivattyúkerékre, így több munkát tud a folyadékba vinni a motor, jobban fel tudja gyorsítani az olajat, amelyet amúgy ATF (automatic transmission fluid) néven kell keresni az olajboltokban, ha eljön a csere ideje. Az ügyes lapátozásnak köszönhető, hogy a citrom kimenő oldalán nagyobb nyomaték jelenhet meg, mint amennyi a motor oldalán bejön: a maximum tipikusan 1,8-2,5-szeres nyomatékmódosítás.

Más kérdés, hogy az olajkavarásnak elég rossz a hatásfoka: amikor hatalmas a nyomatékmódosítás, akkor a legrosszabb. Ráadásul amikor a motor és vele együtt a szivattyúkerék forog, mindig átvisz egy kis nyomatékot, ha kell, ha nem. Ilyenkor az automata váltós autó tehát szép lassan megy előre, vagyis ahhoz, hogy álló helyzetben maradjon (bekapcsolt fokozattal), végig nyomni kell a féket, ami eszméletlen üzemanyag-pazarlás, ezért találták ki azt a trükköt, hogy némelyik automatika ilyenkor suttyomban üresbe teszi magát.

A citrom azonban ennek ellenére hasznos alkatrész, hiszen miatta nem kell kuplungolnia a vezetőnek, megkönnyíti és finommá teszi az elindulást, sőt, eggyel kevesebb mechanikus fokozat is elég. Ha pedig már menet közben nincs szükség a szolgálataira – és a modern automatákat így méretezik – egyszerűen kiiktatják: egy tengelykapcsoló összezárja a nyomatékváltó két oldalát, és onnantól mintha ott sem lenne.

És ezzel elértünk a mechanikus fokozatokhoz, ma már 6-10 fokozatúak az automata váltók. Hogy a fenében fér el ennyi fokozat olyan kis helyen? A válasz: bolygómű. Valószínűleg az emberiség kevesebb, mint 2 százaléka érti, hogy mi egy bolygómű fizikai lényege. Ha megnézzük, elég kompakt cucc és viszonylag nagy nyomaték átvitelére képes, mivel több fogkapcsolat van benne, mint egy sima fogaskerék-párban, cserébe igazán macerás és nagy pontosságot igényel a gyártása, továbbá kuruzslók kevésbé képesek a javítására.

A lényeg az, hogy egyetlen ilyen bolygómű többféle (elvileg hatféle) áttétel létrehozására alkalmas, attól függően, hogy melyik részét (napkerék, gyűrűkerék, csillag vagy kar) választjuk bemenetnek és melyiket kimenetnek – mivel van harmadik kerekünk is, azt le kell fékeznünk: így jön létre egy áttétel. A bolygóműveket egymás után rafinált módon kapcsolják össze, így elég sok variációt tudnak összehozni: a ZF 8HP típusú váltóban négy bolygómű elég 8 előremeneti fokozat és a hátramenet megvalósításához. A fokozatok bekapcsolásához egyes kerekeket lefékeznek, másokat összekapcsolnak: ezt a cél szolgálják azok a többlamellás, olajban futó fékek és tengelykapcsolók, amelyek elkopásakor irány a speciális szerviz, és jöhet a lamellacsere.

Az automata váltók nagy előnye, hogy a fajta váltás nem igényli a nyomatékfolyam megszakítását, mint a hagyományos kézi sebességváltók esetében. Amikor a vezető egy kézi váltós autóban kuplungol, az autó lassul, ráadásul a kuplung felengedésekor lökésszerűen szabadul akár a teljes motornyomaték a hajtásláncra. Az automatáknál ezek az irgalmatlan nyomatéklökések elmaradnak, az egész rendszer kiegyensúlyozottabb és elvileg tartósabb. Ma egy nyolc-kilencfokozatú automata váltó (azonos átvihető nyomaték mellett) könnyebb, mint tíz éve egy ötfokozatú volt. Például a ZF 5HP30-as típusú váltója 560 Nm-re volt hitelesítve, és közel 120 kilós volt, a mai nyolcfokozatú ZF 8HP90-est a Bentley Bentaygába és hasonló szörnyekbe szerelik, 900 (benzines) és 1000 Nm (dízel) átvihető nyomatékkal mindössze 95 kilós.

Oké, de mi vált?

Az automatikus váltást a hőskorban tisztán hidraulika valósította meg, amit mindössze néhány dolog befolyásolt: az előválasztókar helyzete, a motor fordulatszáma és az autó sebessége, a gázpedál-állás. A váltók alá szerelt, labirintusos, szelepekkel, rugókkal teli hidraulikus vezérlőegység átkozottul bonyolult volt. Ma már mindent elektronika intéz, és csupán néhány elektromágneses szelep avatkozik be.

A régi váltók hidraulikus vezérlése kissé tekervényes volt, kis rugók, golyószelepek és sok-sok mágia: mai szemmel nézve csoda, hogy egyáltalán működtek
A régi váltók hidraulikus vezérlése kissé tekervényes volt, kis rugók, golyószelepek és sok-sok mágia: mai szemmel nézve csoda, hogy egyáltalán működtek

A váltók régen egészen ostobák voltak, a nyolcvanas évek elején az számított komoly fejlesztésnek, hogy már megakadályozták, hogy a vezető előremenet közben rükvercbe tegye a váltót. Azelőtt a kísérletező kedvű sofőrök a kórházban végezték.

A mai elektronikák ennél lényegesen többet tudnak. Magyarországon nemcsak gyártanak automata váltókat (például a ZF Egerben és az Allison Szentgotthárdon), de váltószoftvereket is programoznak. A Bosch Gyömrői úti új fejlesztőközpontjában igen komoly fejlesztőrészleg működik, itt kaptam némi betekintést abba, hogy ma hol tart a váltóvezérlés.

Íme a váltóvezérlő agya
Íme a váltóvezérlő agya
Fotó: Stump András / Totalcar

Ma már minden autóban van úgynevezett CAN-buszrendszer, amelyről egy csomó adatot össze tud gereblyézni a váltóvezérlő elektronika. Hozzájut olyan adatokhoz, amiből egész jól meg tudja saccolni az autó tömegét, és ez az egyik kulcsfontosságú adat: a GPS adataiból nagyjából tudja, milyen az út emelkedése-lejtése, a fékezési adatokból, vagy abból, hogy elvett gázzal hogyan lassul a kocsi, egészen pontos képet alkothat a tömegről. Az is megtudhatja, vontat-e utánfutót, de akármilyen vicces, a komolyabb váltóvezérlők még azt is figyelik, hogy le van-e hajtva a napellenző, mert ez azt jelezheti, hogy nem lát rendesen (vagy sminkel), készen kell állni egy hirtelen reakcióra, nem szabad felgangolni kilencedik fokozatba. Szenzorok figyelik még a váltóolaj hőmérsékletét, a chip hőmérsékletét (!), a kimenő-bemenő fordulatszámokat, van pozíciószenzor és pár nyomásérzékelő is.

A mai vezérlőknek sokkal több extra funkciót is kell tudniuk kezelni, mint például a vitorlázás (amikor a jármű kvázi üresben gurul), a hengerlekapcsolás vagy épp a start-stop rendszer. A motor leállítgatása miatt a váltóban gondoskodni kell arról, hogy a hidraulikus nyomás, amely a tengelykapcsolókat működteti, mindig rendelkezésre álljon: e célból vagy impulzustárolót, vagy extra elektromos olajszivattyút szerelnek az automata váltóba. És igen, van már olyan automata váltó is, amelynek van rajtautomatika-funkciója.

Ez az egység a váltóház aljában lakik. Nem valami kellemes hely
Ez az egység a váltóház aljában lakik. Nem valami kellemes hely
Fotó: Stump András / Totalcar

A váltóvezérlők programozása több száz vagy akár ezer fölötti paraméter beállítását jelenti, hisz nagyon sok esetben a különböző márkák szinte egyforma váltókat használnak. A megrendelő ezeket a kívánt paraméterezéseket adja meg, eszerint programozzák az elektronikát. Általában az alap egy viszonylag takarékos üzemmód a szigorú fogyasztási előírások miatt, és hosszú gázadásokkal lehet rávenni a váltóvezérlést, hogy sportosabb váltási stratégiát válasszon, ilyenkor a márkák szája íze szerint változik a váltás sebessége is, a Porschék például ilyenkor gyorsabban váltanak.

Az automata sebességváltó úgynevezett biztonságkritikus rendszer, ezért néhány dologra különösen szigorú előírások vonatkoznak. Például az automatának egy hátsókerék-hajtású autónál bármilyen hiba esetén egy tizedmásodpercen belül le kell választania a hajtást, hogy a hátsó kerék gördülő állapotát megőrizze, ellenkező esetben a jármű azonnal elveszíti a stabilitását. Csupán erre a feladatra egy külön processzort használnak.

Hogyan öld meg?

Az automatát is meg lehet ölni, és nem szereti, ha rosszul kezelik. Például a hirtelen váltások, a mechanikus túlterhelés a váltó túlmelegedését okozhatja, a kuplungok-fékek túl gyorsan kopnak és ez váltási nehézségekhez, például rángatáshoz vezethet. Az automata gyilkolásának a legtutibb módszere még a chiptuning, amikor a turbós motor nyomatékát a váltó méretezési nyomatéka fölé viszik: ilyenkor gyorsan elpusztul a mechanika. További holtbiztos váltógyilkolási módszer az egyszerre nyomott gáz és fék, bár ezt a legtöbb motorvezérlő nem tűri és elveszi a gázt, és ez nem a ballábas fékezés bajnokainak a bosszantására van így, hanem a váltó megőrzése érdekében.

Az automata váltók vesztét a gondatlan vontatás is okozhatja: általában csak kis távolságra és lassan szabad elhúzni az autót, úgy, hogy a váltó szigorúan N, azaz üres fokozatban legyen. Ha az előválasztókar elektronikus működésű, akkor is mindig van valamilyen mechanikus lehetőség az N fokozat kiválasztására, arra az esetre, ha a fedélzeten nem lenne áram.

És a jövő? Illetve jelen?

A klasszikus felépítésű automata váltók élnek és virulnak, és míg a villanyautók el nem terjednek, bőven van bennük lehetőség. Már csak azért is, mert sok esetben a hibridekben is hagyományos automata váltót egészítenek ki egy villanymotorral, amelyet a hidrodinamikus nyomatékváltó helyére építenek be. A Lexus évek óta használja hátsókerekes hibridjeiben a két villanymotoros automata váltót, vagyis még egy darabig biztosan nem kell elköszönnünk tőlük.