1. Αυτοκίνητα με αυτόματα κιβώτια
Του Νίκου Λουπάκη
Οι άρχοντες των πόλεων: Για πολλά χρόνια σιη χώρα μας το να είναι κανείς κάτοχος αυτοκινήτου χωρίς πεντάλ συμπλέκτη σήμαινε ή ότι είναι πλούσιος ή ότι Βαριέται να οδηγεί. Σήμερα όμως τα πράγματα έχουν αλλάξει όχι μόνο όσον αφορά στην τιμή και στις επιδόσεις αυτών των αυτοκινήτων αλλά και στη νοοτροπία του αγοραστικού κοινού. Επιχειρούμε λοιπόν μια παρουσίαση -από τεχνική σκοπιά- των αυτοκινήτων που θα τους ταίριαζε ο τίτλος του «άρχοντα» των πόλεων.
ΤΟ ΟΤΙ το σύστημα μετάδοσης των διαφόρων τροχοφόρων οχημάτων περιλαμβάνει απαραίτητα και κάποιο κιβώτιο ταχυτήτων ή κάποιο άλλο σύστημα μετατροπής της ροπής δεν είναι τυχαίο. Είναι γνωστό ότι άλλη ροπή χρειάζεται να μεταδοθεί στους τροχούς για να ξεκινήσει ένα όχημα, άλλη για να κινηθεί με σταθερή ταχύτητα και άλλη για να επιταχύνει εν κινήσει. Η ύπαρξη όμως του κιβωτίου κάνει σε πολλές περιπτώσεις δύσκολη τη ζωή του οδηγού ο οποίος, εκτός από το να κρατά στα χέρια του το τιμόνι και να πατά τα πεντάλ του γκαζιού και των φρένων για να ξεκινήσει και να σταματήσει αντίστοιχα, επιφορτίζεται και με το καθήκον της αλλαγής ταχυτήτων. Οι αλλαγές ταχυτήτων δεν ενοχλούν ιδιαίτερα όταν οδηγεί κανείς σε ανοιχτό δρόμο. Όταν βρεθείς όμως σε «μποτιλιάρισμα» η όλη διαδικασία (πάτημα του πεντάλ του συμπλέκτη, επιλογή σχέσης στο κιβώτιο, προοδευτική απελευθέρωση του πεντάλ με ταυτόχρονο πάτημα του πεντάλ του γκαζιού) είναι τουλάχιστον κουραστική και, αν το κιβώτιο ή/και ο συμπλέκτης είναι λίγο ιδιότροποι, «εκνευριστική». Εξάλλου ποιός είναι αυτός που δεν δυσκολεύτηκε σαν μαθητευόμενος οδηγός μέχρι να συνηθίσει το χειρισμό του κιβωτίου ταχυτήτων.
Αναγκαίο κακό λοιπόν το κιβώτιο ταχυτήτων. Όμως υπάρχει λύση στο πρόβλημα και δεν θα πρωτοτυπήσει κανείς αν κάνει λόγο είτε για τα αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων, είτε για κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης. Τί είναι όμως το αυτόματο κιβώτιο, σε τί διαφέρει από το χειροκίνητο, πώς λειτουργεί και τί προσφέρει στον οδηγό του αυτοκινήτου στο οποίο είναι τοποθετημένο;
Σχήμα 1: Στο σχήμα βλέπουμε σε τομή υδραυλικό μετατροπέα ροπής. Ο κινητήριος δίσκος (1) ο οποίος περιβάλλει το στρόβιλο (2) και τον αντιδραστήρα (3), εξαναγκάζει το λάδι με το οποίο είναι γεμάτος ο μετατροπέας, σε κίνηση κατά τη διεύθυνση που δείχνουν τα βέλη. Ο αντιδραστήρας βρίσκεται πάνω σε ρουλεμάν (4) που του δίνουν τη δυνατότητα (με την απελευθέρωση του ειδικού συμπλέκτη ο οποίος αρχικά τον κρατά ακίνητο) να περιστρέφεται ελεύθερα στις ψηλές στροφές.
1.1. Οι συμπλέκτες
Η ύπαρξη του κιβωτίου ταχυτήτων είναι στενά συνδεδεμένη με το συμπλέκτη χωρίς την ύπαρξη του οποίου δεν θα ήταν δυνατή η αλλαγή της σχέσης μετάδοσης στο κιβώτιο. Με το πάτημα του πεντάλ του συμπλέκτη απομονώνεται ο κινητήρας από το κιβώτιο και δίνεται έτσι η δυνατότητα να γίνουν οι απαραίτητες μετακινήσεις στο εσωτερικό του κιβωτίου ώστε να αλλάξει η διαδρομή που «ακολουθεί» η κίνηση και μαζί της να αλλάξει και η σχέση μετάδοσης. Η ανυπαρξία πεντάλ συμπλέκτη στα «αυτόματα» αυτοκίνητα για πολλούς σημαίνει ανυπαρξία και του ίδιου του συμπλέκτη. Συμπλέκτης όμως υπάρχει και εκεί, διαφορετικός βέβαια από τον ξηρό δίσκο που έχουμε συνηθίσει στα αυτοκίνητα με χειροκίνητο κιβώτιο, αλλά υπάρχει. Στη συντριπτική πλειοψηφία των αυτοκινήτων που είναι εφοδιασμένα με αυτόματο κιβώτιο το ρόλο του συμπλέκτη παίζει ο υδραυλικός μετατροπέας ροπής, οποίος δεν μεταδίδει αναλλοίωτη αλλά αυξημένη (δύο με τρεις φορές) τη ροπή από τον κινητήρα στο κιβώτιο. Αποτελείται από τρεις δίσκους με πτερύγια από τους οποίους ο ένας, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα, είναι έτσι διαμορφωμένος ώστε οι άλλοι δύο να βρίσκονται στο εσωτερικό του, που είναι γεμάτο με υγρό (ειδικό λάδι). Ο δεύτερος είναι συνδεδεμένος με τον άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων (κινούμενος δίσκος ή στρόβιλος) και ο τρίτος είναι ακίνητος (στάτης ή αντιδραστήρας). Καθώς ο κινητήριος δίσκος περιστρέφεται, αναγκάζει το λάδι να κινηθεί όχι μόνο κυκλικά, κατά μήκος της περιφέρειας του, αλλά και κατά μήκος των πτερυγίων του. Το λάδι βγαίνοντας με ταχύτητα από τα πτερύγια του δίσκου αυτού πέφτει πάνω στα πτερύγια του στροβίλου στα οποία εξασκεί μια δύναμη λόγω της ταχύτητας την οποία έχει αποκτήσει. Με αυτόν τον τρόπο μεταδίδεται διαδοχικά ενέργεια από τον κινητήριο δίσκο στο υγρό και από το υγρό στο στρόβιλο ο οποίος εξαναγκάζεται σε κίνηση. Στη συνέχεια το λάδι κατευθύνεται προς τα πτερύγια του αντιδραστήρα ο οποίος αρχικά είναι ακίνητος και χρησιμεύει για την αύξηση της ροπής η οποία μπορεί να μεταδοθεί. Δημιουργείται έτσι ένας κλειστός δακτύλιος της ροής του υγρού (ένας για κάθε πτερύγιο), ο οποίος περιστρέφεται μαζί με τους δίσκους. Φυσικά η σύνδεση κινητήριου δίσκου και στροβίλου δεν είναι «άκαμπτη» αλλά υπάρχει μια διαφορά (άλλοτε μεγαλύτερη άλλοτε μικρότερη) σε πολλές φάσεις της λειτουργίας του μετατροπέα μεταξύ των ταχυτήτων περιστροφής τους. Όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ο δίσκος τόσο μεγαλύτερη ροπή μπορεί να μεταδώσει. Κινητήριος και κινούμενος δίσκος λόγω της εύκαμπτης σύνδεσης που εξασφαλίζει το λάδι μπορούν να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Λόγω αυτής ακριβώς της ιδιότητας του μετατροπέα εξασφαλίζεται αφ' ενός προοδευτική σύμπλεξη και δεν χρειάζεται αφ' ετέρου να τίθεται αυτός εκτός λειτουργίας κάθε φορά που αλλάζουμε ταχύτητα ή που το αυτοκίνητο είναι σταματημένο με αναμμένη μηχανή, όπως συμβαίνει με τον ξηρό συμπλέκτη. Με την αύξηση της ταχύτητας περιστροφής του στροβίλου (για λόγους που έχουν να κάνουν με την υδροδυναμική) μειώνεται σταδιακά η ροπή του. Η μείωση της ροπής συνεχίζεται (πιο γρήγορα) και μετά την εξίσωση των ροπών των δύο δίσκων (κινητηρίου και στροβίλου) συνοδεύεται δε από μείωση του βαθμού απόδοσης του όλου συστήματος κάτι που συνεπάγεται αύξηση της κατανάλωσης του κινητήρα. Για το λόγο αυτόν ο αντιδραστήρας απελευθερώνεται στις υψηλές ταχύτητες και περιστρέφεται ελεύθερα μαζί με τους άλλους δίσκους. Σ' αυτήν τη φάση ο μετατροπέας ροπής λειτουργεί σαν υδραυλικός συμπλέκτης (μεταδίδει χωρίς «μετατροπές» τη ροπή του κινητήρα).
Σχήμα 2: Στο σχήμα βλέπουμε σε τομή ηλεκτρομαγνητικό συμπλέκτη που αποτελείται από το ακίνητο σώμα με το τύλιγμα διέγερσης και δύο δίσκους (κινητήριο και κινούμενο). Στο χώρο μεταξύ των δύο δίσκων υπάρχει μεταλλική σκόνη χάρη στην οποία εξασφαλίζεται μέσω του «πολλαπλασιασμού» των δυνάμεων του μαγνητικού πεδίου αξιόπιστη σύμπλεξη των δύο δίσκων. Τα βέλη δείχνουν τη μορφή που έχει το μαγνητικό πεδίο.
Για τον ίδιο λόγο οι περισσότεροι σύγχρονοι μετατροπείς ροπής έχουν τη δυνατότητα μηχανικής σύνδεσης (μέσω κάποιου ειδικού συμπλέκτη) κινητηρίου δίσκου και στροβίλου (η κίνηση δεν μεταδίδεται μέσω του υγρού αλλά οι δύο δίσκοι περιστρέφονται σαν ένα σώμα) στις υψηλές ταχύτητες.
Η λειτουργία τόσο του υδραυλικού μετατροπέα ροπής όσο και του υδραυλικού συμπλέκτη συνοδεύεται από αύξηση της θερμοκρασίας του λαδιού που βρίσκεται στο εσωτερικό τους. Γι' αυτό σε πολλές περιπτώσεις χρειάζεται ειδικό σύστημα ψύξης.
Λιγότερο διαδεδομένος είναι ο ηλεκτρομαγνητικός συμπλέκτης, ο οποίος βασίζει τη λειτουργία του στην ύπαρξη μαγνητικού πεδίου γύρω από έναν αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα. Ο συμπλέκτης αυτός αποτελείται από δύο δίσκους (κινητήριο που συνδέεται με το στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα και κινούμενο που συνδέεται με τον άξονα εισόδου του κιβώτιου ταχυτήτων) και το τύλιγμα διέγερσης (τον αγωγό ο οποίος διαρρέεται από ρεύμα) που δημιουργεί ίο μαγνητικό πεδίο. Το τελευταίο έχει τη μορφή δακτυλίου και μπορεί να είναι τοποθετημένο, είτε σε κάποιον από τους δίσκους, είτε σε κάποιο ακίνητο σημείο.
Όταν διοχετεύεται ρεύμα (συνήθως με το πάτημα του πεντάλ του γκαζιού) στο τύλιγμα διέγερσης δημιουργείται γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο που έχει δακτυλιοειδή μορφή και διέρχεται από χους δύο δίσκους. Οι δυνάμεις που επιδρούν στους δίσκους λόγω της εμφάνισης του μαγνητικού πεδίου είναι πολύ μικρές, αλλά πολλαπλασιάζονται αν γεμίσουμε το κενό που υπάρχει ανάμεσα τους με μεταλλική σκόνη. Σε αυτήν την περίπτωση η σκόνη συγκεντρώνεται κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου σχηματίζοντας σκληρές «ίνες» που συνδέουν οδηγούμενο και οδηγό δίσκο. Με τη διακοπή της παροχής του ρεύματος (με την απελευθέρωση του πεντάλ του γκαζιού) παύει να υφίσταται το μαγνητικό πεδίο, η μεταλλική σκόνη επανέρχεται στην αρχική της κατάσταση και οι δύο δίσκοι περιστρέφονται ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο απομονώνοντας τον κινητήρα από το κιβώτιο.
Σχήμα 3: Το κιβώτιο που βλέπετε κατασκευάζεται από την πολύ γνωστή, στο χώρο των συστημάτων μετάδοσης, Γερμανική εταιρία ZF. Τοποθετείται σε πολλά αυτοκίνητα διαφόρων εταιριών. Έτσι μπορούμε να το συναντήσουμε στο Κρόμα της Φίατ, στην Άλφα 164, στη Σιτροέν ΧΜ κ.α. Διαθέτει τέσσερις σχέσεις για κίνηση προς τα εμπρός και μία όπισθεν. Ο μετατροπέας ροπής που συνδυάζεται με το κιβώτιο, αποτελείται φυσικά από τον κινητήριο δίσκο (1), το στρόβιλο (2) και τον αντιδραστήρα (3), ο οποίος στηρίζεται πάνω στο ρουλεμάν (4) για να μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα όταν χρειάζεται. Η κίνηση μεταδίδεται από το μετατροπέα σε ένα πλανητικό σύστημα μετάδοσης δύο σταδίων (5), ενώ για τις αλλαγές των σχέσεων μετάδοσης υπάρχουν πέντε πολύδισκοι συμπλέκτες (6). Στη συνέχεια η κίνηση συνεχίζει το «ταξίδι» της προς το διαφορικό (9) περνώντας από ένα ζευγάρι οδοντωτών τροχών (7) και τον άξονα τελικής μετάδοσης (8). Για τον έλεγχο της στάθμης του λαδιού του κιβωτίου υπάρχει ράβδος (10) ανάλογη με αυτήν που υπάρχει για τον έλεγχο της στάθμης του λαδιού του κινητήρα. Για τη λειτουργία του κυκλώματος του λαδιού υπάρχει γραναζωτή αντλία (12), Όταν στο κιβώτιο έχει επιλεγεί η πρώτη, η δευτέρα ή η όπισθεν, η κίνηση μεταδίδεται 100% υδραυλικά (μέσω του μετατροπέα ροπής). Με επιλεγμένη την τετάρτη ο μετατροπέας μπλοκάρει (για αύξηση του βαθμού απόδοσης) με την ενεργοποίηση του ειδικού «συμπλέκτη» (11) και περιστρέφεται όλος μαζί, οπότε η κίνηση μεταδίδεται μηχανικά. Με επιλεγμένη την τρίτη ένα μέρος (40%) της ροπής μεταδίδεται υδραυλικά και ένα άλλο το μεγαλύτερο (60%) μηχανικά. Το κιβώτιο αυτό έχει αρκετά μικρότερο (σε σύγκριση με παλιότερα κιβώτια) μήκος για να μπορεί να συνδυαστεί με εγκάρσια τοποθετημένο κινητήρα.
1.2. Τα κιβώτια
Οι υδραυλικοί μετατροπείς ροπής και οι ηλεκτρομαγνητικοί συμπλέκτες λύνουν το πρόβλημα της «ακαμψίας» του κλασικού ξηρού συμπλέκτη ξεκουράζοντας το … αριστερό πόδι του οδηγού. Χάρη σε αυτούς δεν χρειάζεται να διακοπεί η μετάδοση κίνησης από τον κινητήρα στο κιβώτιο κατά τις αλλαγές ταχυτήτων. Υπάρχει όμως το πρόβλημα της αλλαγής των ταχυτήτων. Στα χειροκίνητα κιβώτια οι σχέσεις αλλάζουν με τη μετακίνηση του συγχρονιστή. Όμως η αυτοματοποίηση αυτού του τρόπου αλλαγής ταχυτήτων δεν είναι τόσο απλή υπόθεση και θα σήμαινε ένα περισσότερο πολύπλοκο κιβώτιο. Η λύση δίνεται με τη χρησιμοποίηση του επικυκλικού (ή αλλιώς πλανητικού) συστήματος μετάδοσης.
Σχήμα 4: Ο οδηγός ενός αυτόματου αυτοκινήτου θα βρεθεί «αντιμέτωπος» με έναν τέτοιο μοχλό. Η τοποθέτηση του μοχλού στις θέσεις 1, 2, 3 περιορίζει τις αλλαγές των ταχυτήτων μέχρι την πρώτη, δευτέρα και τρίτη αντίστοιχα (π.χ. με το μοχλό στη θέση «1» το αυτοκίνητο θα κινείται συνεχώς με την πρώτη). Κάτι τέτοιο είναι χρήσιμο όταν πρόκειται κανείς να κινηθεί σε δρόμους με μεγάλη κλίση ή όταν πρόκειται να μεταφέρει φορτίο.
Σχήμα 5: Σχηματική παράσταση της λειτουργίας του συστήματος Τιπτρόνικ: 1: μονάδα ελέγχου, 2: μοχλός επιλογής, 3: Μετρητής πλευρικών επιταχύνσεων, 4: μονάδα ελέγχου του συστήματος ABS, 5: Μονάδα ελέγχου κινητήρα, 6: Σύνδεση μοχλού - κιβωτίου, 7: μετρητής επιταχύνσεων (παραλλήλων στο διαμήκη άξονα) 8: Κιβώτιο ταχυτήτων, 9: Κινητήρας
Ένα επικυκλικό σύστημα οδοντωτών τροχών αποτελείται από ένα κεντρικό γρανάζι που ονομάζεται «ήλιος» γύρω από το οποίο κινούνται τρία συνήθως μικρότερα γρανάζια (δορυφόροι) τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με τον πλανητικό φορέα. Οι δορυφόροι κυλούν πάνω σε ένα μεγάλο οδοντωτό τροχό με εσωτερική οδόντωση που ονομάζεται κορόνα. Εκείνο το χαρακτηριστικό που καθιστά το σύστημα αυτό κατάλληλο για τη χρησιμοποίησή του σε αυτόματα κιβώτια είναι ότι για την αλλαγή της σχέσης μετάδοσης δεν χρειάζεται να μετακινηθεί τίποτα, αλλά αρκεί η απελευθέρωση ή η συγκράτηση κάποιων από τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται. Διαφορετική σχέση μετάδοσης επιτυγχάνεται με άξονα εισόδου τον άξονα στον οποίο βρίσκεται ο ήλιος αν συγκρατηθεί ο πλανητικός φορέας (άξονας εξόδου ή κορόνα) και διαφορετική αν συγκρατηθεί η κορόνα (άξονας εξόδου ο πλανητικός φορέας). Επίσης αν «συνδεθούν» (ακινητοποιηθούν το ένα σε σχέση με το άλλο) δύο οποιαδήποτε στοιχεία του τότε αυτό «μπλοκάρει» (τα γρανάζια παύουν να περιστρέφονται) και περιστρέφεται όλο μαζί. Στην περίπτωση αυτή έχουμε απ' ευθείας μετάδοση της κίνησης και άξονες (εισόδου και εξόδου) αποτελούν ένα σύνολο.
Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα των επικυκλικών συστημάτων μετάδοσης είναι το ότι επιτυγχάνουν με μικρότερο αριθμό γραναζιών ποσοτικά ίδιες ή και περισσότερες σχέσεις μετάδοσης, σε σύγκριση με τα συστήματα μετάδοσης που χρησιμοποιούν γρανάζια που βρίσκονται σε σταθερούς άξονες. Μειώνεται δηλαδή το βάρος και ο όγκος του κιβωτίου.
Σχήμα 6: Ένα επικυκλικό (πλανητικό) σύστημα μετάδοσης αποτελείται βασικά από τέσσερα στοιχεία: Το κεντρικό γρανάζι (ήλιος), τα γρανάζια που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο (δορυφόροι), τον πλανητικό φορέα και το γρανάζι δακτύλιο με την εσωτερική οδόντωση (κορόνα). Στα σχήματα βλέπουμε πώς λειτουργεί επικυκλικό σύστημα μετάδοσης τεσσάρων σχέσεων, το οποίο αποτελείται από δύο συνδεδεμένα στη σειρά στοιχειώδη πλανητικά συστήματα. Ανάλογα με το ποιά γρανάζια είναι σταματημένα (με άσπρο χρώμα) επιτυγχάνεται διαφορετική σχέση μετάδοσης. Η κίνηση μεταδίδεται από τον κινητήρα στην αριστερή κορόνα. Για να επιλεγεί η πρώτη στο κιβώτιο ακινητοποιούνται ο αριστερός ήλιος και η δεξιά κορόνα. Οι περιστρεφόμενοι γύρω από τον ακινητοποιημένο ήλιο δορυφόροι (αριστερά) περιστρέφουν το συνδεδεμένο με τον ήλιο (δεξιά) πλανητικό φορέα. Ο ήλιος με τη σειρά του θέτει σε κίνηση τους δορυφόρους για να περιστραφεί ο δεύτερος πλανητικός φορέας που είναι συνδεδεμένος με τον άξονα μετάδοσης της κίνησης στο διαφορικό (άξονας εξόδου).
Για να επιλεγεί η δευτέρα, η αριστερή κορόνα συνδέεται με τους δορυφόρους (οι οποίοι παύουν να περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο τους) και ολόκληρο το αριστερό σύστημα περιστρέφεται σαν ένα σώμα. Η δεξιά κορόνα παραμένει ακίνητη.
Για να επιλεγεί η τρίτη ακινητοποιείται ο αριστερός ήλιος, οι δορυφόροι αρχίζουν ξανά να περιστρέφονται γύρω από αυτόν, ενώ όλο το δεξιό σύστημα περιστρέφεται σαν ένα σώμα.
Τέλος για την επιλογή της τετάρτης και τα δύο πλανητικά συστήματα «μπλοκάρουν» και περιστρέφονται σαν ένα σώμα, οπότε επιτυγχάνεται απ' ευθείας μετάδοση j της κίνησης από τον άξονα εισόδου στον άξονα εξόδου.
Σχήμα 7: Ο μοχλός επιλογής του Τιπτρόνικ διαθέτει εκτός από τις κλασικές επιλογές και την επιλογή «Μ» για τον οδηγό που θα θελήσει να κινηθεί «ημιαυτόματα»
Στην πράξη τα πράγματα είναι αρκετά πιο πολύπλοκα και ένα κιβώτιο μπορεί να περιλαμβάνει όχι μόνο ένα αλλά δύο πλανητικά συστήματα ανάλογα με τον αριθμό των σχέσεών του. Επίσης το σύστημα (ή τα συστήματα) αυτά μπορεί να μην έχουν την απλή μορφή που περιγράψαμε αλλά πιο πολύπλοκη με διπλούς δορυφόρους κ.τ.λ. Η συγκράτηση των διαφόρων στοιχείων μιας πλανητικής μετάδοσης σε ένα αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων επιτυγχάνεται είτε με κάποια φρένα, είτε με υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες. Να σημειώσουμε στο σημείο αυτό ότι οι πολύδισκοι συμπλέκτες τίθενται σε λειτουργία με την αύξηση της πίεσης του λαδιού μέσα στο οποίο βρίσκονται. Η πίεση αυξάνει με την αύξηση των στροφών του κινητήρα. Έτσι εξασφαλίζουν σύμπλεξη ανάλογη με αυτήν του υδραυλικού συμπλέκτη όταν ο κινητήρας λειτουργεί στο «ρελαντί». Όταν όμως ο κινητήρας λειτουργεί σε υψηλότερες στροφές η σύμπλεξη που εξασφαλίζουν είναι «άκαμπτη» δεν παρουσιάζει δηλαδή την ολίσθηση που χαρακτηρίζει τον υδραυλικό συμπλέκτη και το μετατροπέα ροπής.
Είναι φανερό ότι για τον έλεγχο της λειτουργίας του αυτόματου κιβωτίου απαιτείται ένα αρκετά σύνθετο υδραυλικό κύκλωμα ελέγχου. Η πίεση στο κύκλωμα αυτό αλλάζει χάρη σε μια γραναζωτή αντλία η οποία είναι απαραίτητο συστατικό στοιχείο ακόμα και του πιο απλού (ή του πιο σύνθετου) αυτόματου κιβωτίου. Τα επιτεύγματα στο χώρο της μικροηλεκτρονικής δεν ήταν δυνατόν να μην επηρεάσουν την εξέλιξη των αυτομάτων κιβωτίων. Έτσι τα περισσότερα σύγχρονα αυτόματα κιβώτια διαθέτουν ένα, περισσότερο ή λιγότερο πολύπλοκο, ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου της λειτουργίας τους. Συνήθως ο οδηγός μπορεί να επιλέξει με το πάτημα ενός διακόπτη αν θέλει οικονομική ή σπορ οδήγηση. Στην πρώτη περίπτωση οι αλλαγές των ταχυτήτων γίνονται σχετικά νωρίς πριν ανέβουν αρκετά οι στροφές του κινητήρα, ενώ στη δεύτερη οι αλλαγές γίνονται αργότερα για να επιτυγχάνονται καλύτερες επιδόσεις. Χαρακτηριστικότατο παράδειγμα της χρησιμοποίησης μικροϋπολογιστών για τον έλεγχο της λειτουργίας του αυτόματου κιβωτίου αποτελεί το σύστημα Tiptronic (Τιπτρόνικ) της Πόρσε. Πρόκειται για ένα σύστημα που δίνει τη δυνατότητα στον οδηγό να χρησιμοποιήσει το κιβώτιο είτε σαν τελείως αυτόματο, είτε σαν χειροκίνητο-ημιαυτόματο.
Στην πρώτη περίπτωση το αυτοκίνητο οδηγείται με τον ίδιο τρόπο που οδηγείται κάθε αυτόματο αυτοκίνητο, ενώ στη δεύτερη οι αλλαγές των ταχυτήτων γίνονται με ένα σπρώξιμο του μοχλού (ο οποίος έχει προηγουμένως τοποθετηθεί στη θέση Μ: manual = χειροκίνητο) προς τα εμπρός (για ανέβασμα ταχύτητας) ή προς τα πίσω (για κατέβασμα). Σε αυτό το σπρώξιμο οφείλει την ονομασία του το σύστημα (tip στα Αγγλικά σημαίνει άκρη του δακτύλου). Για την πληροφόρηση του οδηγού σχετικά με τη θέση του μοχλού και τη σχέση που έχει επιλεγεί υπάρχει ένα σύστημα φωτεινών ενδείξεων στο ταμπλό.
Σαν βάση του συστήματος χρησιμοποιήθηκε ένα πλανητικό κιβώτιο τεσσάρων σχέσεων της ZF, το οποίο χρειάστηκε να υποστεί κάποιες μετατροπές για να γίνει δυνατό να τοποθετηθεί στην 911 Καρέρα 2, στην οποία ο κινητήρας είναι τοποθετημένος στο διαμήκη άξονα, στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου. Το κιβώτιο συνδυάζεται με έναν υδραυλικό μετατροπέα ροπής και μία ηλεκτρουδραυλική μονάδα ελέγχου η οποία «μετατρέπει» ηλεκτρικά και υδραυλικά σήματα σε αλλαγές ταχυτήτων. Για την ψύξη του λαδιού του κιβωτίου υπάρχει εναλλάκτης τοποθετημέ¬νος στην εμπρός αριστερή «μύτη» του αυτοκινήτου. Το Τιπτρόνικ περιλαμβάνει επίσης μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου που κατασκευάζεται από την Bosch. Η διαφορά της μονάδας αυτής από τα συνήθη ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου βρίσκεται στο ότι ο οδηγός δεν είναι υποχρεωμένος να πατήσει κάποιο κουμπί για να επιλέξει με ποιόν τρόπο θέλει να κινηθεί. Το μόνο που έχει να κάνει είναι να επιλέξει αν θέλει να κινηθεί τελείως «αυτόματα» ή «ημιαυτόματα» τοποθετώντας το μοχλό επιλογής στην ανάλογη θέση. Από τη στιγμή που ο οδηγός θα θελήσει να κινηθεί τελείως αυτόματα, το σύστημα θα επιλέξει μόνο του, ανάλογα με τις συνθήκες, τον τρόπο αλλαγής των ταχυτήτων. Επιπλέον εδώ δεν υπάρχουν δύο επιλογές (οικονομική και σπορ), αλλά πέντε που η Πόρσε τις ονομάζει SK1, SK2….SK5, ούτως ώστε να υπάρχει μια κλιμάκωση και δυνατότητα καλύτερης προσαρμογής του κιβώτιου στις εκάστοτε συνθήκες.
Σχήμα 8: Οι κλασικοί ιμάντες μεταδίδουν την κίνηση χάρη στο ότι βρίσκονται υπό τάση (είναι τεντωμένοι). Ο ατσάλινος ιμάντας τύπου Van Doorne όμως που χρησιμοποιείται στα κιβώτια ΣΜΣ, μεταδίδει την κίνηση χάρη στις δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται μεταξύ των πλαϊνών των 320 ατσαλίνων «αγκραφών» (1) και των τροχαλιών που τα συμπιέζουν. Σε κάθε εγκοπή της αγκράφας τοποθετούνται 10 λεπτές ατσάλινες ζώνες (2) όπως φαίνεται και στο σχήμα. Οι αγκράφες μεταδίδουν την ώθηση που δέχονται από τις τροχαλίες σπρώχνοντας η μία την άλλη, ενώ οι ατσάλινες ζώνες τις κρατούν στη θέση τους και δεν επιτρέπουν στον ιμάντα να «τσακίσει»
Σχήμα 9: Ο ηλεκτρομαγνητικός συμπλέκτης του ECVT των Σουμπαρού και Λάντσια αποτελείται από ένα τύμπανο (5) το οποίο συνδέεται με το στροφαλοφόρο και ένα δίσκο (6) που συνδέεται με τον άξονα εισόδου στο κιβώτιο και βρίσκεται στο εσωτερικό του τυμπάνου. Το τύλιγμα (7) που δημιουργεί το απαραίτητο για την ενεργοποίηση του συμπλέκτη μαγνητικό πεδίο, βρίσκεται στο δίσκο αυτό. Ανάμεσα σε δίσκο και τύμπανο υπάρχει μεταλλική σκόνη η οποία πολλαπλασιάζει την επίδραση του μαγνητικού πεδίου. Ο συμπλέκτης αυτός έχει τη δυνατότητα μηχανικής (άκαμπτης) εμπλοκής των δύο δίσκων στις υψηλές ταχύτητες.
Το ECVT εκτός από το συμπλέκτη (1) περιλαμβάνει τις τροχαλίες (2) με τον ιμάντα τύπου Van Doorne (3), την αντλία λαδιού που τροφοδοτεί το κύκλωμα για τη λειτουργία των τροχαλιών και τη λίπανση των διαφόρων στοιχείων του κιβωτίου, ένα σύστημα μετάδοσης με οδοντωτούς τροχούς (μίνι συμβατικό κιβώτιο ταχυτήτων) για την επιλογή της κίνησης προς τα εμπρός ή προς τα πίσω (4), και το διαφορικό (δεν φαίνεται στο σχήμα).
| PORSCHE 911 Carrera 2 | CITROEN ΧΜ 2 L | FIAT CR0MA 2.0 i.e. | FORD SIERRA 2.0 EFI | RENAULT Clio | FORD Fiesta CTX | SUBARU Justy 1.0 ECVT | |||||||||
| Κινητήρας | 3600 κ.ε./ 250ΗΡ | 1998 κ.ε./ 130ΗΡ | 1995 κ.ε./ 119ΗΡ | 1993 κ.ε./ 100ΗΡ | 1390 κ.ε./ 78ΗΡ | 1117 κ.ε./ 50ΗΡ | 998 κ.ε./ 55ΗΡ | ||||||||
| αυτ | ημιαυτ | χειρ | αυτ | χειρ | αυτ | χειρ | αυτ | χειρ | αυτ | χειρ | αυτ | χειρ | αυτ | χειρ | |
| Επιτάχυνση 0-100 χλμ/ώρα | 6.6 | 6,6 | 5,7 | 14,4 | 11,5 | 11,8 | 9,9 | 13,4 | 11,2 | 15,0 | 11,2 | 17,2 | 16,3 | 15,5 | 14,6 |
| Τελική ταχύτητα χλμ/ώρα | 256,4 | 256.4 | 260 | 202 | 205 | 188 | 192 | 178 | 181 | 170 | 175 | 142 | 149 | 140 | 150 |
| Κατανάλωση 90χλμ/ώρα | 7,8 | 7,8 | 7,8 | 6,8 | 6,5 | 7 | 6 | 7,0 | 6,0 | 5,2 | 4,8 | 4,7 | 4,5 | 5,3 | 5,0 |
| Κατανάλωση 120 χλμ/ώρα | 9,7 | 9,7 | 9,6 | 8,5 | 8,1 | 8,6 | 7,6 | 8,9 | 7,8 | 6,7 | 6,5 | 6,5 | 6,9 | 7,0 | 7,4 |
| Κατανάλωση Πόλη | 17,2 | 16,9 | 17,0 | 12,9 | 11,5 | 9,7 | 9,5 | 12,0 | 11,8 | 8,0 | 7,8 | 6,8 | 6,6 | 7,7 | 7,2 |
Συγκριτικός πίνακας επιδόσεων και κατανάλωσης διαφόρων αυτοκινήτων. Σε κάθε αυτοκίνητο αντιστοιχούν δύο στήλες (μία για την εφοδιασμένη με αυτόματο κιβώτιο έκδοση και μία για την εφοδιασμένη με χειροκίνητο) εκτός από την εφοδιασμένη με το σύστημα Τιπτρόνικ Πόρσε στην οποία υπάρχει στήλη για την περίπτωση που θα χρησιμοποιηθεί το εν λόγω σύστημα σαν ημιαυτόματο. Οι τιμές που αναφέρονται στον πίνακα είναι αυτές που δίνουν οι κατασκευαστές. Προσέξτε ότι σε όλες τις περιπτώσεις οι επιδόσεις των «αυτόματων» είναι μειωμένες σε σχέση με αυτές των ίδιων αυτοκινήτων εφοδιασμένων με χειροκίνητο κιβώτιο, ακόμα και στην περίπτωση του πολύπλοκου Τιπτρόνικ της Πόρσε. Αντίστοιχη εικόνα παρουσιάζει και η κατανάλωση, όπου βλέπουμε ότι στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων τα αυτόματα «καίνε» περισσότερο. Η μειωμένη κατανάλωση των Φιέστα CTX και Τζάστι ECVT (με σταθερή ταχύτητα 120 χλμ./ώρα) εξηγείται από το ότι τα κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης διαθέτουν «μακριά» σχέση μακρύτερη από την πέμπτη των συμβατικών κιβωτίων.
Για την επιλογή του κατάλληλου SK λαμβάνονται υπ' όψη όχι μόνο η γωνία ανοίγματος της «πεταλούδας» στην εισαγωγή, οι στροφές του κινητήρα, και η ταχύτητα του οχήματος αλλά και οι πλευρικές και διαμήκεις επιταχύνσεις. Οι παραπάνω παράμετροι επανακαθορίζονται ανά διαστήματα που κυμαίνονται μεταξύ 30 και 100 χιλιοστών του δευτερολέπτου. Για την επιλογή του στυλ των αλλαγών λαμβάνεται επίσης υπ' όψη και το πόσο γρήγορα πιέζει ή αφήνει ο οδηγός το πεντάλ του γκαζιού. Ο μετατροπέας ροπής διαθέτει φυσικά και τον ανάλογο συμπλέκτη για το μπλοκάρισμα το οποίο ελέγχεται ηλεκτρονικά και μπορεί να τεθεί σε λειτουργία, είτε με τη δεύτερη σχέση στο κιβώτιο, είτε με την τρίτη, είτε με την τέταρτη. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου δεν επιτρέπει αλλαγή ταχύτητας όταν το αυτοκίνητο στρίβει και έτσι αποφεύγονται δυσάρεστες καταστάσεις (π.χ. «κικντάουν» στη στροφή). Επίσης σε περίπτωση που το αυτοκίνητο κινείται σε ολισθηρή επιφάνεια και οι κινητήριοι (πίσω) τροχοί αρχίσουν να χάνουν την πρόσφυσή τους (γεγονός που το Τιπτρόνικ αντιλαμβάνεται από τη διαφορά ταχύτητας περιστροφής των εμπρός τροχών με τους πίσω), επιλέγεται η αμέσως επόμενη προς τα πάνω σχέση για να μην «σπινάρουν» άσκοπα οι τροχοί. Αυτή η ιδιότητα του συστήματος διατηρείται και όταν ο οδηγός έχει επιλέξει τη χειροκίνητη λειτουργία. Στην περίπτωση της χειροκίνητης λειτουργίας οι αλλαγές των ταχυτήτων γίνονται με τον τρόπο που ήδη περιγράψαμε, η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου παρεμβαίνει όμως όταν χρειάζεται για την προστασία του κινητήρα του οχήματος και φυσικά του οδηγού.
Έτσι αν ο οδηγός δεν αλλάξει ταχύτητα και ο κινητήρας φτάσει στο όριο των στροφών του, η αλλαγή γίνεται αυτόματα. Δεν χρειάζεται λοιπόν να κοιτά κανείς το στροφόμετρο μην τυχόν και «μπει» στον κόφτη, όταν θελήσει να χρησιμοποιήσει όλη την ισχύ του κινητήρα, για να επιταχύνει είτε εν κινήσει, είτε εν στάσει.
Επίσης αν ο οδηγός δεν «κατεβάσει» ταχύτητα όταν πρέπει (για παράδειγμα σε μια ανηφόρα) το «κατέβασμα» γίνεται και πάλι αυτόματα για να μην σβήσει ο κινητήρας.
Όταν ο κινητήρας είναι κρύος οι αλλαγές των ταχυτήτων γίνονται πιο αργά. Έτσι ο κινητήρας δουλεύει σε ψηλότερες στροφές και μικραίνει ο χρόνος που χρειάζεται για το ζέσταμα του ίδιου του κινητήρα όσο και του καταλύτη. Τέλος για την περίπτωση που θα υπάρξει βλάβη στα ηλεκτρονικά του συστήματος η ηλεκτρουδραυλική μονάδα ελέγχου επιτρέπει στο αυτοκίνητο να κινηθεί χρησιμοποιώντας την τρίτη ταχύτητα και την όπισθεν.
1.3. Κιβώτια συνεχούς μεταβαλλόμενης μετάδοσης
Μια ιδιαίτερη κατηγορία αυτομάτων κιβωτίων αποτελούν τα κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης (ΣΜΣ). Με τα κιβώτια αυτού του τύπου επιτυγχάνεται η μεταβολή της σχέσης μετάδοσης όχι σκαλωτά αλλά συνεχώς (άπειρες φορές) μέσα σε ορισμένα βέβαια πλαίσια. Έτσι εξασφαλίζεται και ο αυτοματισμός στις αλλαγές ταχυτήτων αλλά και η λειτουργία του κινητήρα στις στροφές στις οποίες ο βαθμός απόδοσής του διατηρείται αρκετά ψηλός. Βασικό χαρακτηριστικό όλων των κιβωτίων ΣΜΣ που τοποθετούνται σε αυτοκίνητα παραγωγής είναι η ύπαρξη δύο τροχαλιών μεταβλητής διαμέτρου, μίας εισόδου (συνδεδεμένης με τον κινητήρα) και μιας εξόδου (μεταδίδει την κίνηση προς το διαφορικό). Κάθε τροχαλία αποτελείται από δύο μέρη, ένα σταθερό και ένα το οποίο έχει τη δυνατότητα να ολισθαίνει κατά μήκος του άξονα στον οποίο είναι τοποθετημένη η τροχαλία. Οι τροχαλίες «επικοινωνούν» (στις περισσότερες περιπτώσεις) με έναν ειδικό ατσάλινο ιμάντα η επινόηση του οποίου οφείλεται στους αδελφούς Van Doorne από την Ολλανδία. Όταν το ολισθαίνον τμήμα της τροχαλίας απομακρύνεται από το σταθερό ο ιμάντας «βυθίζεται» στην τροχαλία και η διάμετρος επαφής του με αυτή μικραίνει. Αντίθετα όταν η απόσταση ανάμεσα στα δύο τμήματα μικραίνει, ο ιμάντας «ανεβαίνει» και η διάμετρος επαφής του με την τροχαλία αυξάνεται (βλ. σχήμα 11).
Σχήμα 10
Σχήμα 11
Πρωταρχική για τη μεταβολή της σχέσης μετάδοσης είναι η μεταβολή της διαμέτρου της τροχαλίας εισόδου η οποία και επιφέρει τη μεταβολή της διαμέτρου της τροχαλίας εξόδου (λόγω του σταθερού μήκους του ιμάντα). Όταν η διάμετρος της τροχαλίας εισόδου μεγαλώνει η διάμετρος της τροχαλίας εξόδου μικραίνει και αντίστροφα όταν η διάμετρος της πρώτης μικραίνει μεγαλώνει η διάμετρος της δεύτερης. Οι μετατοπίσεις των ολισθαινόντων τμημάτων (άρα και οι μεταβολές των διαμέτρων) των τροχαλιών ελέγχονται -κατά κανόνα- υδραυλικά. Η δύναμη με την οποία πιέζεται ο ιμάντας μεταξύ των τοιχωμάτων των τροχαλιών μεταβάλλεται ανάλογα με το φορτίο, ώστε και να μην ολισθαίνει ο ιμάντας πάνω σε αυτές αλλά και να μην συμπιέζεται υπερβολικά. Η μεταβολή της διαμέτρου των δύο τροχαλιών επιφέρει την αλλαγή της σχέσης μετάδοσης. Η μεγαλύτερη σχέση μετάδοσης (το αντίστοιχο της «πρώτης» των συμβατικών κιβωτίων) επιτυγχάνεται όταν η τροχαλία εισόδου έχει τη μικρότερη και η τροχαλία εξόδου τη μεγαλύτερη δυνατή διάμετρο. Αντίστοιχα η «πέμπτη» επιτυγχάνεται όταν η τροχαλία εισόδου έχει τη μεγαλύτερη και η εξόδου τη μικρότερη δυνατή διάμετρο. Στην πραγματικότητα το φάσμα των σχέσεων μετάδοσης που επιτυγχάνονται με τα κιβώτια ΣΜΣ είναι ευρύτερο από αυτό των συμβατικών κιβωτίων: η «πρώτη» δηλαδή των ΣΜΣ είναι «κοντύτερη» και η «πέμπτη» μακρύτερη από τις αντίστοιχες σχέσεις των συμβατικών κιβωτίων. Η συνολική σχέση μετάδοσης στην περίπτωση του Ford Fiesta 1.1 CTX κυμαίνεται μεταξύ 14,8:1 και 2.41:1 έναντι 13,75:1 και 2,90:1 του ίδιου αυτοκινήτου εφοδιασμένου με «πεντάρι» κιβώτιο. Οι ομοιότητες ανάμεσα στα ΣΜΣ των διαφόρων εταιριών σταματούν στις τροχαλίες και τον ιμάντα, αφού διαφορετικές είναι οι επιλογές της κάθε μιας όσον αφορά το συμπλέκτη και το σύστημα μετάδοσης με οδοντωτούς τροχούς (αν υπάρχει) με τα οποία οι τροχαλίες συνδυάζονται. Το κιβώτιο ΣΜΣ (σχήμα 10) που τοποθετήθηκε στο Fiesta CTX της Φορντ είναι το ίδιο με αυτό που τοποθετήθηκε στο UNO Selecta της Φίατ. Το γεγονός δεν είναι βέβαια τυχαίο, αφού το κιβώτιο σχεδιάστηκε από κοινού από τις δύο εταιρίες σε συνεργασία με την Ολλανδική Van Doorne Transmissie.
Το κιβώτιο αυτό αποτελείται από: α) μια επικυκλική (πλανητική) μετάδοση (1) που «ελέγχεται» από δύο υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες (2), β) το σύστημα συνεχούς μεταβολής της σχέσης μετάδοσης με τις τροχαλίες (3) και τον ιμάντα (4), γ) το σύστημα τελικής μετάδοσης που περιλαμβάνει δύο ζεύγη οδοντωτών τροχών (5) και το διαφορικό (6) και δ) το υδραυλικό σύστημα ελέγχου που περιλαμβάνει και μια αντλία λαδιού (7) με οδοντωτούς τροχούς. Ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιούνται οι αλλαγές «ταχυτήτων» (αλλαγή της σχέσης μετάδοσης) εξαρτάται από τη σχέση μετάδοσης που έχει επιλεγεί τη συγκεκριμένη στιγμή, από το πόσο πατημένο είναι το πεντάλ του γκαζιού, από τις στροφές της μηχανής και από τη θέση του μοχλού του κιβωτίου (στη θέση L οι αλλαγές γίνονται σε πιο υψηλές στροφές). Η υδραυλική μονάδα ελέγχου είναι ρυθμισμένη έτσι ώστε να επιλέγει πάντα τη μικρότερη δυνατή σχέση μετάδοσης για μεγαλύτερη οικονομία. Η Σουμπαρού και η Λάντσια προτίμησαν να τοποθετήσουν ηλεκτρομαγνητικό συμπλέκτη (1) στα κιβώτια των Justy ECVT και Υ10 Selection αντίστοιχα (σχήμα 11). Στο γεγονός αυτό οφείλεται άλλωστε και η προσθήκη του γράμματος Ε (electronic) στην Αγγλική ονομασία του κιβώτιου: ECVT αντί του CVT. Η επιλογή του ηλεκτρομαγνητικού συμπλέκτη απλοποιεί σημαντικά το υδραυλικό κύκλωμα (το οποίο έτσι απορροφά λιγότερη ενέργεια), ενώ δίνει και τη δυνατότητα για μείωση των διαστάσεων και του βάρους του κιβωτίου. Ο μοχλός ελέγχου του κιβωτίου είναι ίδιος με αυτόν των CVT. Η ενεργοποίηση (και η απενεργοποίηση) όμως του μαγνητικού πεδίου, και κατά συνέπεια και του συμπλέκτη, ελέγχεται ηλεκτρονικά. Δεν αρκεί δηλαδή η τοποθέτηση του μοχλού στη θέση «D» ή «L» αλλά χρειάζεται και το πάτημα του πεντάλ του γκαζιού για να τεθεί ο συμπλέκτης σε λειτουργία. Έτσι δεν είναι απαραίτητο να πατά κανείς φρένο κάθε φορά που σταματά στο φανάρι. Το πόσο προοδευτική θα είναι η σύμπλεξη κατά την εκκίνηση, εξαρτάται από το πόσο πατημένο θα είναι το πεντάλ του γκαζιού. Όσο πιο πολύ πατηθεί το γκάζι τόσο πιο απότομα θα γίνει η σύμπλεξη και τόσο πιο απότομα θα ξεκινήσει το αυτοκίνητο. Όταν το αυτοκίνητο κινείται, το μαγνητικό πεδίο διατηρείται σταθερό και δεν υπάρχει ολίσθηση μεταξύ τυμπάνου και δίσκου του συμπλέκτη (βλ. σχετικό σχήμα).
1.4. Επίλογος
Από την εποχή που εμφανίστηκαν τα πρώτα πραγματικά αυτόματα αυτοκίνητα πολλά πράγματα άλλαξαν. Μειώθηκε κατ' αρχήν ο όγκος και το βάρος των αυτομάτων κιβωτίων, ενώ βελτιώθηκε η αξιοπιστία τους. Αυξήθηκε επίσης ο βαθμός απόδοσής τους γεγονός στο οποίο συνέβαλαν, σε πολλές περιπτώσεις σε καθοριστικό βαθμό, και τα επιτεύγματα της μικροηλεκτρονικής. Έτσι τα αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων δεν αποτελούν πλέον ένα εξτρά για «μεγάλα» μόνο αυτοκίνητα αλλά μπορεί κανείς διαθέτοντας ένα επιπλέον ποσό να αγοράσει αυτοκίνητο της μικρομεσαίας ή ακόμα και της μικρής κατηγορίας με αυτόματο κιβώτιο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα (για την πρώτη κατηγορία) είναι το αυτόματο Μάζντα 323F και τα Ούνο Σελέκτα και Κλειώ (για τη δεύτερη) που δοκιμάσαμε για σας στο προηγούμενο τεύχος.
Τί κερδίζει κανείς αγοράζοντας αυτόματο αυτοκίνητο; Ρωτήστε κάποιον που να οδηγεί ή να έχει οδηγήσει έστω και για λίγο ένα τέτοιο αυτοκίνητο στους αθηναϊκούς δρόμους και θα σας μιλήσει για το φοβερό αίσθημα άνεσης που αυτό προσφέρει στον οδηγό του. Από την άλλη μεριά όμως και παρά τις βελτιώσεις που έχουν υποστεί (συμπεριλαμβανομένων και των κιβωτίων ΣΜΣ) εξακολουθεί να υπάρχει το πρόβλημα των μειωμένων επιδόσεων και της αυξημένης κατανάλωσης της αυτόματης έκδοσης ενός οποιουδήποτε αυτοκινήτου σε σύγκριση με την έκδοση που δια¬θέτει το κλασικό χειροκίνητο κιβώτιο. Όσοι επίσης θέλουν να κινούνται γρήγορα στους ορεινούς δρόμους θα διαπιστώσουν ότι αυτό δεν είναι τόσο εύκολο με αυτόματο κιβώτιο. Συμπέρασμα; Αν μένετε σε μεγάλη πόλη και θέλετε ένα αυτοκίνητο για να πηγαίνετε κάθε πρωί στη δουλειά σας (χωρίς να σας απασχολούν ιδιαίτερα οι επιδόσεις του), σκεφτείτε σοβαρά το ενδεχόμενο αγοράς αυτόματου αυτοκινήτου. Θα σας στοιχίσει κάτι παραπάνω (σε κόστος αγοράς και κατανάλωση καυσίμου) αλλά θα οδηγείτε ξεκούραστα και θα κάνετε οικονομία στα νεύρα σας. Αν όμως θέλετε να νιώθετε ότι το αυτοκίνητο είναι ολοκληρωτικά στα χέρια σας και αν επίσης θέλετε να χαίρεστε που και που την οδήγηση, ξεχάστε το. Τα αυτόματα αυτοκίνητα δεν κάνουν γι' αυτήν τη δουλειά.
Σχήμα 12: Ο έλεγχος του κιβωτίου ΣΜΣ των Φιέστα και Ούνο, από πλευράς οδηγού γίνεται με τρόπο ανάλογο με αυτόν που γίνεται στα κλασικά αυτόματα κιβώτια. Υπάρχει ο κλασικός για τα αυτόματα κιβώτια μοχλός, με πέντε όμως θέσεις: Ρ, R, Ν, D, L Όταν ο μοχλός ελέγχου βρίσκεται στη θέση «Ρ» (Parking) ή στη θέση «Ν» (Neutral=νεκρά) και οι δύο συμπλέκτες (1) και (2) είναι απελευθερωμένοι οπότε η κίνηση δεν φτάνει στην τροχαλία εισόδου. Επιπλέον στη θέση «Ρ» η τροχαλία εξόδου «μπλοκάρεται» για να μην μπορεί να κινηθεί το αυτοκίνητο. Για να κινηθούμε προς τα εμπρός τοποθετούμε το μοχλό στη θέση «D» οπότε ενεργοποιείται ο συμπλέκτης (1) της κίνησης προς τα εμπρός και απελευθερώνεται ο συμπλέκτης (3) της κίνησης προς τα πίσω. Οι δορυφόροι (2) δεν περιστρέφονται αλλά περιστρέφεται όλο μαζί το σύστημα της επικυκλικής μετάδοσης οπότε έχουμε στην ουσία απ' ευθείας μετάδοση της κίνησης στην τροχαλία εισόδου από το στροφαλοφόρο. Για να κινηθούμε προς τα πίσω τοποθετούμε το μοχλό στη θέση R οπότε απελευθερώνεται ο συμπλέκτης (1), ενεργοποιείται ο συμπλέκτης (3) οπότε ακινητοποιείται η κορόνα και οι δορυφόροι (2) θέτουν σε κίνηση τον ήλιο (5) αντιστρέφοντας την κίνηση, όπως φαίνεται και από τα βέλη στο σχήμα.
1.5. ΚΑΙ ΛΙΓΗ ΙΣΤΟΡΙΑ
Η ύπαρξη κιβωτίου ταχυτήτων στο αυτοκίνητο επιφορτίζει τον οδηγό με το καθήκον της επιλογής των σχέσεων. Η διαδικασία της αλλαγής των ταχυτήτων είναι από τα πράγματα που κάνουν δύσκολη τη ζωή όχι μόνο του αρχάριου αλλά και του έμπειρου οδηγού όταν αυτός βρεθεί σε συνθήκες στις οποίες είναι αναγκασμένος να αλλάζει ταχύτητες πολύ συχνά (π.χ. μποτιλιάρισμα). Το πρόβλημα αυτό είχε γίνει αντιληπτό από πολύ νωρίς όταν η αυτοκινητοβιομηχανία έκανε ακόμα τα πρώτα της δειλά βήματα. Τότε βέβαια τα πράγματα ήταν πολύ πιο δύσκολα για τους οδηγούς αυτοκινήτων με χειροκίνητο κιβώτιο ταχυτήτων απ' ότι σήμερα, αφού ήταν άγνωστος ο συγχρονισμός και η επιλογή κάθε σχέσης συνοδευόταν κατά κανόνα από δυσάρεστους μεταλλικούς ήχους. Ο αυτοματισμός στο κιβώτιο είναι στενά δεμένος με το επικυκλικό σύστημα μετάδοσης και δεν είναι τυχαίο που το θρυλικό Φορντ-Τ που αποτελεί μια από τις πρώτες απόπειρες αυτοματισμού διέθετε κιβώτιο με σύστημα επικυκλικής μετάδοσης δύο σχέσεων. Το αυτοκίνητο αυτό δεν διέθετε μοχλό για την επιλογή των σχέσεων αλλά δύο πεντάλ: ένα για την επιλογή της πρώτης, της δευτέρας και της «νεκράς» (ανάλογα με το πόσο πατημένο ήταν το πεντάλ γινόταν και η επιλογή της σχέσης) και ένα για την επιλογή της όπισθεν. Για τα φρένα υπήρχε ένα ακόμα πεντάλ, ενώ το «γκάζι» βρισκόταν στην κολόνα του τιμονιού. Το 1934 και 1935 με βάση τα σχέδια του Γάλλου μηχανικού Fleischel (Φλεσέλ) παρουσιάζονται στην Ευρώπη οι αυτόματες Σιτροέν C6 και Β14 και το επίσης αυτόματο Πεζό 402. Όμως από εμπορική άποψη το εγχείρημα δεν πέτυχε. Έτσι η παραγωγή των αυτοκινήτων σταμάτησε και ο Φλεσέλ βρέθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες όπου αργότερα πούλησε την ευρεσιτεχνία του στα μεγαθήρια της Αμερικανικής αυτοκινητοβιομηχανίας. Το 1937 η Τζένεραλ Μότορς Αμερικής παρουσίασε ένα «ημιαυτόματο» Oldsmobile (Ολντσμομπιλ), που συνδύαζε κιβώτιο με πλανητικό σύστημα μετάδοσης, με έναν «κλασικό» συμπλέκτη. Για τις αλλαγές των ταχυτήτων που γίνονταν αυτόματα υπήρχε υδραυλικό κύκλωμα ελέγχου ενώ ο συμπλέκτης ελεγχόταν από ένα πεντάλ. Το πρώτο εντελώς αυτόματο αυτοκίνητο παρουσιάστηκε από την ίδια εταιρία το 1939. Οι αγοραστές των Όλντσμομπιλ μπορούσαν να παραγγείλουν το αυτοκίνητο τους με «εξτρά» το αυτόματο κιβώτιο. Το συγκεκριμένο σύστημα μετάδοσης ονομάστηκε Hydra Matic (Χάίντραμάτικ) και αποτελείτο από ένα πλανητικό κιβώτιο με τέσσερις σχέσεις και έναν υδραυλικό συμπλέκτη που αντικαθιστούσε τον ξηρό δίσκο. Ο οδηγός είχε στη διάθεση του μόνο δύο πεντάλ: γκάζι και φρένο, όπως συμβαίνει και στα σημερινά αυτόματα αυτοκίνητα. Οι αλλαγές των ταχυτήτων πραγματοποιούνταν αυτόματα (ανάλογα με το πόσο πατούσε ο οδηγός το πεντάλ του γκαζιού), ενώ η μετάδοση της κίνησης δεν διακοπτόταν κατά τις αλλαγές αυτές. Η Μπιούικ ήταν η πρώτη που χρησιμοποίησε αντί του υδραυλικού συμπλέκτη τον υδραυλικό μετατροπέα ροπής (1948)και ακολούθησε η Σεβρολέ το 1950.
Από το 1948 μέχρι το 1963 η Κάντιλακ, η Όλντσμομπιλ και η Πόντιακ χρησιμοποιούσαν το σύστημα Ιντραμάτικ στα αυτόματα κιβώτια τους, ενώ η Μπιούικ και η Σεβρολέ παρέμειναν πιστές στο μετατροπέα ροπής. Στο διάστημα αυτό υπήρξε μεγάλος ανταγωνισμός ανάμεσα στα δύο συστήματα γεγονός που είχε σαν συνέπεια τη γρήγορη εξέλιξη τους και τη βελτίωση τόσο του βαθμού απόδοσής τους όσο και της αξιοπιστίας τους. Παράλληλα βελτιώθηκαν οι πολύδισκοι συμπλέκτες και τα υδραυλικά συστήματα ελέγχου των πλανητικών συστημάτων, γεγονός που συνέβαλε στο να γίνονται πιο ομαλά οι αλλαγές των ταχυτήτων, ενώ προσπάθεια έγινε για τη μείωση του θορύβου των κινητήρων των οποίων μεγάλωσε και ο κυβισμός και η ισχύς. Η «μάχη» τελικά έληξε με νίκη του μετατροπέα ροπής ο οποίος αντικατέστησε τον υδραυλικό συμπλέκτη. Έτσι μετά το 1964 όλα τα αυτόματα κιβώτια συνεργάζονταν με κάποιο μετα¬τροπέα. Ο μετατροπέας απέκτησε σιγά-σιγά και κάποιο συμπλέκτη που του έδινε τη δυνατότητα να «μπλοκάρει» τους δίσκους του, για αύξηση του βαθμού απόδοσης, στις ψηλές ταχύτητες. Ενώ όμως το ποσοστό των αυτόματων αυτοκινήτων μεγάλωνε διαρκώς στην Αμερικανική αγορά δεν συνέβη το ίδιο και στην Ευρωπαϊκή. Μία από τις αιτίες ήταν ο όγκος και το βάρος των αυτομάτων κιβωτίων που έκανε δύσκολη την τοποθέτησή τους στα (σημαντικά μικρότερα από τα Αμερικανικά) Ευρωπαϊκά αυτοκίνητα. Ανασταλτικό ρόλο έπαιξε επίσης και το σημαντικά αυξημένο (κατά 9%-17% εκείνη την εποχή) κόστος των αυτοκινήτων με αυτόματο, σε σχέση με τα αυτοκίνητα με χειροκίνητο κιβώτιο.
Στη δεκαετία του '80 έκαναν την εμφάνισή τους τα πρώτα αυτοκίνητα με κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης (Fiesta CTX, Uno Selecta), που βασίστηκαν στη συντριπρική τους πλειοψηφία στον ατσάλινο ιμάντα που επινόησαν οι αδελφοί Βαν Ντούρν από την Ολλανδία. Στους τελευταίους ανήκει και η πατρότητα του συστήματος Βαριομάτικ το οποίο χρησιμοποιήθηκε αρχικά από την Νταφ και αργότερα από τη Βόλβο (όταν αυτή απορρόφησε την Ολλανδική εταιρία) στα αυτοκίνητα της σειράς 300. Το Βαριομάτικ χρησιμοποιούσε ελαστικό ιμάντα για τη μετάδοση της κίνησης και διακρινόταν από προηγούμενα συστήματα συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης (η ιδέα κιβωτίων ΣΜΣ ήταν αρκετά παλιότερη) λόγω του αυτοματισμού στην αλλαγή της σχέσης μετάδοσης τον οποίο εισήγαγε.
Αξίζει να σημειωθεί ότι οι πρώτες απόπειρες κατασκευής κιβωτίων ΣΜΣ έγιναν στα τέλη του περα¬σμένου αιώνα, ενώ στις αρχές του αιώνα μας κατασκευάστηκαν τα πρώτα αυτοκίνητα με τέτοια κιβώτια από τον Ελβετό Weber (Βέμπερ) στη Ζυρίχη. Τα σύγχρονα αυτόματα κιβώτια έχουν διατηρήσει τα βασικά χαρακτηριστικά των προκατόχων τους, διαθέτουν δηλαδή συστήματα πλανητικής μετάδοσης και συνδυάζονται με υδραυλικό μετατροπέα ροπής. Εκείνο όμως που τα κάνει να διαφέρουν είναι το ότι συνεργάζονται με κάποιο μικροϋπολογιστή ο οποίος παρακολουθώντας διάφορες παραμέτρους της λειτουργίας του κινητήρα αλλά και του αυτοκινήτου γενικότερα, παρεμβαίνει στη λειτουργία του κιβωτίου, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο γίνονται οι αλλαγές ταχυτήτων. Συνήθως υπάρχει δυνατότητα επιλογής οικονομικής και «σπορ» οδήγησης αλλά δεν λείπουν και τα πιο πολύπλοκα (και πιο ακριβά) συστήματα που δίνουν περισσότερες δυνατότητες επιλογής. Όσον αφορά τη διάδοσή τους σε Ευρώπη και Αμερική δεν σημειώθηκαν θεαματικές αλλαγές, αφού τα εφοδιασμένα με αυτά αυτοκίνητα εξακολουθούν να αποτελούν τη συντριπτική πλειοψηφία (80%) των κυκλοφορούντων αυτοκινήτων στην Αμερική (ΗΠΑ) αλλά όχι και στην Ευρώπη που δεν αποτελούν παρά μια ισχνή μειοψηφία (κάτω του 10%).
2. Αυτόματα κιβώτια (4Τ 219, 12/1988)
Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος
Μια προσπάθεια ανάλυσης των αρχών κατασκευής και λειτουργίας των αυτόματων κιβωτίων, που αν και περισσότερο πολύπλοκα και ακριβά από τα χειροκίνητα καλύπτουν σταθερά ένα, μικρό μεν αλλά όχι αμελητέο, μέρος της ευρωπαϊκής αγοράς κι ολόκληρη σχεδόν την αμερικανική.
ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ είναι σχεδόν άγνωστα, στην Ευρώπη αποτελούν σχεδόν μειοψηφία, αλλά στην Αμερική είναι ο κανόνας. Υπάρχουν οδηγοί που δεν μπορούν να κάνουν χωρίς αυτά, αλλά υπάρχουν και οδηγοί που τ' απεχθάνονται. Τ' αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων έχουν ήδη συμπληρώσει πάνω από μισό αιώνα ζωής, στη διάρκεια του οποίου δεν κατάφεραν να επιβάλλουν την παρουσία τους παρά σε μικρό μέρος της ευρωπαϊκής αγοράς, ενώ κατέκτησαν ολοκληρωτικά τις ΗΠΑ παρ' όλο που η γέννησή τους έγινε στην Ευρώπη, όπως άλλωστε και η γέννηση του ίδιου του αυτοκινήτου και η εξέλιξη του μεγαλύτερου μέρους της τεχνολογίας του.
Η μεγάλη αυτή διαφορά του βαθμού επιτυχίας των αυτόματων κιβωτίων στις δύο μεγαλύτερες αγορές αυτοκινήτου στον κόσμο οφείλεται στις διαφορές των ίδιων τω προϊόντων της αυτοκινητοβιομηχανίας του αλλά και στις διαφορές στον τρόπο σκέψης και τις συνήθειες των κατοίκων τους. Οι Αμερικανοί χρησιμοποιούν πολύ περισσότερο από τους Ευρωπαίους τ' αυτοκίνητά τους και γι' αυτόν το λόγο θέλουν να είναι μεγάλα, άνετα και όσο το δυνατό πιο εύχρηστα, κάτι άλλωστε που ισχύει για οτιδήποτε χρησιμοποιούν. Και παρ' όλο που εξαρτώνται από τ' αυτοκίνητό τους πολύ περισσότερο απ' ότι ο Ευρωπαίοι, δεν το βλέπουν σαν τίποτε παραπάνω από ένα μεταφορικό μέσο, ένα από τα πολλά εργαλεία που διευκολύνουν τη ζωή του σύγχρονου ανθρώπου. Αντίθετα οι Ευρωπαίοι, ιδιαίτερα οι νότιοι, έχουν μία πιο συναισθηματική σχέση με το αυτοκίνητό τους και απολαμβάνουν την οδήγηση πολύ περισσότερο από τους Αμερικανούς. Αν σ’ αυτό προστεθεί και το γεγονός, ότι τ' αυτόματα κιβώτια, τουλάχιστον αυτά που κατασκευάζονταν μέχρι πρόσφατα, δεν ήταν πάντα εύκολο να τοποθετηθούν στα μικρά ευρωπαϊκά ή ιαπωνικά αυτοκίνητα, η εξήγηση για τη διαφορετική υποδοχή των αυτόματων κιβωτίων στις δύο αγορές γίνεται ακόμα πιο ξεκάθαρη. Παρ' όλα αυτά, τα αυτόματα κιβώτια δεν λείπουν εντελώς από την ευρωπαϊκή αγορά (όπως συμβαίνει στην ελληνική, όπου ο τρόπος φορολογίας κάνει το κόστος τους απαγορευτικό). Κατέχουν σταθερά ένα μικρό μεν αλλά όχι αμελητέο ποσοστό της, που γίνεται μεγαλύτερο όσο ανεβαίνουμε προς τις μεγαλύτερες κατηγορίες. Και το ποσοστό αυτό είναι πιθανότερο ν' αυξηθεί παρά να μειωθεί στο μέλλον, αφού οι όλο και πιο δύσκολες κυκλοφοριακές συνθήκες στις μεγαλουπόλεις τα κάνουν όλο και πιο ελκυστικά για όσους κάνουν πολλά χιλιόμετρο σ' αυτές, ενώ η εξέλιξη της τεχνολογίας τους έχει διορθώσει πολλές από τις αρχικές αδυναμίες τους. Αξίζει λοιπόν να τα δούμε λίγο από κοντά, μια και δεν αποκλείεται, εφ όσον «ανοίξει» η ελληνική αγορά, να προσφέρονται σε λίγα χρόνια πιο συχνά στη χώρα μας. Διευκρινίζοντας από την αρχή ότι δεν μιλάμε παρά για τα κλασικά αυτόματο κιβώτια με υδραυλικό μετατροπέα ροπής κι όχι για τα κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης, τα οποία - αν και πολλά υποσχόμενο για το μέλλον - δεν μπορούν προς το παρόν να χρησιμοποιηθούν παρά σε αυτοκίνητα με κινητήρες μικρής ισχύος και με τα οποία άλλωστε έχουμε επανειλημμένως ασχοληθεί στο παρελθόν.
2.1. Λίγη ιστορία
Όσο λοιπόν κι αν φαίνεται σήμερα παράξενο, τ' αυτόματα κιβώτια ξεκίνησαν την πορεία τους από την προπολεμική Ευρώπη και τα πρώτα αυτοκίνητα που εμφανίστηκαν χωρίς πεντάλ συμπλέκτη, το 1934, ήταν οι Σιτροέν Β14 και 06, μ' ένα σύστημα μετάδοσης σχεδιασμένο από το μηχανικό Γκαστόν Φλεσέλ (Gaston Fleischel). Η αίσθηση που δημιούργησε στο κοινό όμως είναι μηδαμινή και ο Αντρέ Σιτροέν δεν δίνει καμία συνέχεια σ' αυτήν την εμπειρία. Το 1935 είναι η σειρά της Πεζό να παρουσιάσει το 402 με «Αυτόματη Μετάδοση Φλεσέλ», αλλά παρά την προβολή της καινοτομίας από τον Τύπο και το ραδιόφωνο, το κοινό παραμένει και πάλι απαθές. Έτσι ο Φλεσέλ, απογοητευμένος, αποφασίζει να παρουσιάσει την εφεύρεσή του στην Αμερική και μεταφέρει το 402 του στο Ντιτρόιτ. Σ' αντίθεση με το ευρωπαϊκό, το αμερικανικό κοινό ενθουσιάζεται γρήγορα με το νέο σύστημα και ο Φλεσέλ δημιουργεί μια μικρή εταιρία για την εκμετάλλευση των ευρεσιτεχνιών του, καθώς τον πλησιάζουν όλοι οι Αμερικανοί κατασκευαστές για συνεργασία. Για κακή του τύχη έρχεται ο πόλεμος και οι ευρεσιτεχνίες του τίθενται υπό μεσεγγύηση, κάτι που δίνει στους Αμερικανούς τη δυνατότητα να τον αντιγράψουν ασύστολα και να εκμεταλλευτούν την ιδέα του. Το 1947 ανακτά τον έλεγχο των ευρεσιτεχνιών του χωρίς όμως να εισπράττει δικαιώματα για τα εκατομμύρια αυτοκίνητα με αυτόματα κιβώτια που είχαν ήδη κατασκευαστεί και κυκλοφορούσαν στην Αμερική.
Ο Φλεσέλ τότε πουλάει χωρίς κέρδος τα δικαιώματα σε μια γαλλοαμερικανική εταιρία, που πηγαίνει τους Αμερικανούς κατασκευαστές στα δικαστήρια για αντιγραφή των ιδεών του Γάλλου μηχανικού. Η πρώτη επιτυχία έρχεται σε βάρος της Πάκαρντ, αλλά είναι κι η τελευταία. Αντιλαμβανόμενες τον κίνδυνο, οι μεγάλες αμερικανικές εταιρίες, όπως η Τζένεραλ Μότορς, η Φορντ, η Κράισλερ κι η Μποργκ Γουόρνερ, συνεργάζονται και αγοράζουν την εταιρία που εκμεταλλευόταν τις ευρεσιτεχνίες του Φλεσέλ για το αστείο, ακόμα και για την εποχή εκείνη, ποσόν των 25.000 δολαρίων. Έτσι ο δρόμος είναι πλέον ανοιχτός για να πλημμυρίσουν την αμερικανική αγορά με τ' αυτόματα κιβώτιά τους, ενώ το μόνο όφελος του Φλεσέλ είναι η αναγνώριση της μεγάλης αξίας της ιδέας του.
2.2. Ο υδραυλικός μετατροπέας ροπής
Από την εποχή εκείνη και μετά ο κάθε κατασκευαστής ακολούθησε το δικό του δρόμο και διάφοροι τύποι αυτόματων κιβωτίων χρησιμοποιήθηκαν στην Ευρώπη και στην Αμερική (και πιο πρόσφατα στην Ιαπωνία). Παρά τις όποιες διαφορές τους όμως, όλα είναι «χτισμένα» γύρω από την ίδια βάση: τον υδραυλικό μετατροπέα ροπής, ένα υδραυλικό σύστημα ελέγχου κι ένα σύστημα γραναζιών.
Σχήμα 1: Ο υδραυλικός μετατροπέας ροπής παίζει στις αυτόματες μεταδόσεις το ρόλο του συμπλέκτη. Η σχηματική αυτή παράσταση δείχνει τη ροή του λαδιού μέσα σ' αυτόν. Παρατηρήστε τον τρόπο με τον οποίο τα πτερύγια του στάτορα επαναπροσανατολίζουν τη ροή προς το στρόβιλο. Αυτό συμβαίνει μόνο μέχρι να «προλάβει» ο στρόβιλος την αντλία κι έχει σαν αποτέλεσμα τον πολλαπλασιασμό της ροπής.
Ο μετατροπέας ροπής είναι ένα υδραυλικό σύστημα σύζευξης, που παίζει το ρόλο του συμπλέκτη των χειροκίνητων κιβωτίων, συνδέοντας τον άξονα του κινητήρα με τον άξονα εισόδου του κιβωτίου. Τα δύο βασικά του τμήματα είναι ο «ωθητής» ή «αντλία», που είναι μηχανικά συνδεδεμένη με τον κινητήρα και περιστρέφεται με τον ίδιο αριθμό στροφών μ' εκείνον, και ο «δέκτης» ή «στρόβιλος». Η αντλία είναι συγκολλημένη πάνω σ' ένα περίβλημα που περικλείει ερμητικά ολόκληρο το σύστημα και είναι γεμάτο με λάδι.
Όταν ο κινητήρας λειτουργεί ο τελικός του άξονας περιστρέφει τον ωθητή, που λειτουργεί σαν μια φυγοκεντρική αντλία, αναρροφώντας λάδι από το κέντρο του στροφείου της και διοχετεύοντάς το στην περιφέρειά του μέσω των πτερυγίων του. Το λάδι έτσι τίθεται υπό πίεση και συνεχή κυκλοφορία και κατευθύνεται προς τα πτερύγια του στροβίλου, τον οποίο εξαναγκάζει επίσης να περιστραφεί με την ίδια φορά. Ο στρόβιλος είναι συνδεδεμένος με τον άξονα εισόδου του κιβωτίου, στο οποίο έτσι μεταδίδει την κίνηση του.
Η μεταφορά αυτή της κίνησης από την αντλία στο στρόβιλο δεν είναι άμεση, πράγμα βέβαια φυσιολογικό αφού δεν πρόκειται για άκαμπτη σύνδεση. Υπάρχει λοιπόν κάποιο «ολίσθηση» μεταξύ των δύο περιστρεφόμενων μερών μέχρι να «προλάβει» ο στρόβιλος την αντλία και ν' αρχίσει να περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα μ' αυτή. Αυτό όμως είναι τελικά χρήσιμο, αφού είναι αυτή ακριβώς η ολίσθηση που επιτρέπει τη λειτουργία του κινητήρα στο ρελαντί όταν το αυτοκίνητο είναι σταματημένο. Σ' αυτήν την περίπτωση δηλαδή περιστρέφεται η αντλία και παραμένει ακίνητος ο στρόβιλος. Οι σχεδιαστές των αυτόματων κιβωτίων δεν άφησαν βέβαια στην τύχη της τη ροή του λαδιού μέσα στο μετατροπέα. Τα πτερύγια της αντλίας και του στροβίλου είναι έτσι σχεδιασμένα ώστε να σχηματίζεται ένα είδος σωληνωτού δακτύλιου και να διευθύνεται η ροή σε μια καθορισμένη πορεία. Παρ' όλα αυτά, δεν ήταν δυνατό να εξουδετερωθεί κάθε αρνητική αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο περιστρεφόμενων τμημάτων του μετατροπέα. Το λάδι, μετά τη μετάδοση της ροπής στο στρόβιλο και την έξοδό του απ' αυτόν, είχε ακόμα αρκετή ενέργεια ώστε να εμποδίζει την κίνηση της αντλίας και να επιβραδύνει τον κινητήρα. Χρειαζόταν λοιπόν κάποια επέμβαση σ' εκείνο το σημείο και η επέμβαση αυτή έγινε με την τοποθέτηση μιας σειράς ακίνητων πτερυγίων μεταξύ της αντλίας και του στροβίλου. Έτσι το λάδι μετά την έξοδό του από το στρόβιλο περνούσε πλέον μέσα από τον «στάτορα», η διαμόρφωση των πτερυγίων του οποίου το κατηύθυνε και πάλι προς τα πτερύγια του στροβίλου. Όπως διαπίστωσαν εκ των υστέρων οι μηχανικοί, το σύστημα αυτό όχι μόνο εξουδετέρωσε τους ανεπιθύμητους στροβιλισμούς του λαδιού μέσα στο μετατροπέα αλλά, με τη δευτερεύουσα ώθηση που έδινε το λάδι στο στρόβιλο, πολλαπλασίαζε τελικά την αποδιδόμενη ροπή (γι' αυτό και το σύστημα ονομάστηκε μετατροπέας ροπής). Στα σημερινά αυτοκίνητα ο μέγιστος πολλαπλασιαστής της ροπής (που γίνεται στο ξεκίνημα του αυτοκινήτου) φτάνει τις 2-2,5 φορές. Όπως όμως συμβαίνει συνήθως στα μηχανήματα, η λύση του προβλήματος αυτού δημιούργησε ένα άλλο: ενώ υπήρχε πολλαπλασιασμός της ροπής όταν η ταχύτητα περιστροφής του στροβίλου ήταν μικρότερη απ' αυτήν της αντλίας, όταν οι δύο ταχύτητες εξισώνονταν τα ακίνητα πτερύγια του στάτορα προκαλούσαν το αντίθετο αποτέλεσμα, αποτελώντας ένα εμπόδιο στην ομαλή ροή του λαδιού. Για τη λύση αυτού του προβλήματος ο στάτορας εφοδιάστηκε μ' ένα συμπλέκτη, που τον κρατάει ακίνητο μόνον όταν τα δύο περιστρεφόμενα μέρη του μετατροπέα έχουν διαφορετικές ταχύτητες. Μόλις ο στρόβιλος «προλάβει» την αντλία, ο συμπλέκτης απελευθερώνει το στάτορα, επιτρέποντάς του να περιστρέφεται μαζί με τ' άλλα περιστρεφόμενα μέρη. Έτσι, ο μετατροπέας ροπής παύει να είναι πλέον «μετατροπέας» και λειτουργεί σαν υδροδυναμικός συμπλέκτης χωρίς πολλαπλασιασμό της ροπής. Για τη λειτουργία λοιπόν του αυτόματου κιβωτίου χρειάζεται ένα ολόκληρο υδραυλικό σύστημα, που συνοδεύεται από μία αντλία, σκοπός της οποίας είναι η κυκλοφορία του λαδιού μέσα σ' αυτό το σύστημα. Το λάδι διοχετεύεται πρώτα στο μετατροπέας ροπής κι από εκεί σ' έναν εναλλάκτη ψύξης τοποθετημένο κοντά στο «ψυγείο» του κινητήρα. Μετά την ψύξη του, το λάδι διοχετεύεται στο κύκλωμα λίπανσης του κιβωτίου. Η ίδια αντλία χρησιμοποιείται για τη διατήρηση της υδραυλικής πίεσης στο σύστημα ελέγχου του κιβωτίου, για το οποίο θα μιλήσουμε παρακάτω. Πέρα από το γεγονός, ότι είναι απαραίτητη για τη λειτουργία των αυτόματων κιβωτίων, η υδροδυναμική σύζευξη παρουσιάζει και ορισμένα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τη μηχανική, όπως π.χ. την απόσβεση κραδασμών και τη μείωση των τριβών. Από την άλλη πλευρά, όταν το σύστημα ελέγχου έχει επιλέξει τη μεγαλύτερη σχέση στο αυτόματο κιβώτιο, υπάρχει αυξημένη τάση για ολίσθηση μεταξύ των δύο περιστρεφόμενων μερών του μετατροπέα ροπής, σαν αποτέλεσμα της υψηλής ροπής που εφαρμόζεται σ' αυτά και των σχετικά χαμηλών ταχυτήτων περιστροφής τους. Είναι χαρακτηριστικό, με τη μεγαλύτερη σχέση στο κιβώτιο η ολίσθηση στο μετατροπέα ροπής μπορεί να είναι μέχρι και δύο φορές μεγαλύτερη απ ότι με την αμέσως μικρότερη σχέση. Για το λόγο αυτόν υπάρχει ένας μηχανικός συμπλέκτης, που σ' αυτήν την περίπτωση ενεργοποιείται και συνδέει την αντλία με τον στρόβιλο, έτσι ώστε να περιστρέφονται σαν ένα σώμα.
2.3. Το κιβώτιο
Ο υδραυλικός μετατροπέας ροπής παίζε όπως είπαμε το ρόλο του συμπλέκτη. Σε αυτόν η κίνηση μεταδίδεται στο κιβώτιο ταχυτήτων όπου, όπως και στο χειροκίνητο κιβώτιο, ένας αριθμός γραναζιών χρησιμοποιείται για τον υποπολλαπλασιασμό του αριθμού των στροφών του κινητήρα ανάλογα με τις απαιτήσεις κίνησης του αυτοκινήτου. Σ’ αντίθεση όμως με τα χειροκίνητα κιβώτια, όπου για κάθε σχέση υπάρχει άμεση εμπλοκή δύο γραναζιών διαφορετικού μεγέθους (εκτός από την περίπτωση όπου μία σχέση είναι 1:1, οπότε τα δύο γρανάζια είναι ίδιου μεγέθους), στα αυτόματα κιβώτια υπάρχει επικυκλικό σύστημα ή, όπως ονομάζεται αλλιώς, σύστημα πλανητικών γραναζιών.
Σχήμα 2: Το επικυκλικό σύστημα γραναζιών αποτελεί τη βασική κατασκευαστική μονάδα του αυτόματου κιβωτίου. Εδώ το κεντρικό γρανάζι παίρνει κίνηση από τον άξονα εισόδου, μεταδίδοντάς την στα πλανητικά γρανάζια κι απ' αυτά στον πλανητικό φορέα και τον άξονα εξόδου. Ο δακτύλιος παραμένει ακίνητος.
Στο επικυκλικό σύστημα οδοντωτών τροχών (σχ. 2) υπάρχει ένα κεντρικό γρανάζι (ή «γρανάζι - ήλιος») γύρω από το οποίο κινούνται δύο μικρότερα γρανάζια, οι πλανήτες ή πλανητικά γρανάζια, που συνδέονται μ' έναν κοινό φορέα, τον πλανητικό φορέα. Γύρω απ' αυτά υπάρχει ένας δακτύλιος με εσωτερική οδόντωση, έτσι ώστε υπάρχει συνεχής εμπλοκή μεταξύ αυτών των τριών διαφορετικών τύπων γραναζιών. Όπως φαίνεται καθαρά στο σχήμα 2 (όπου το κεντρικό γρανάζι αποτελεί την κατάληξη του άξονα εισόδου, ο δακτύλιος είναι ακίνητος και ο πλανητικός φορέας συνδέεται με τον άξονα εξόδου) τα μεγέθη των τριών αυτών τύπων γραναζιών είναι εντελώς διαφορετικά. Κατά συνέπεια η μετάδοση ενός αριθμού στροφών στο ένα απ' αυτά, συνεπάγεται την περιστροφή των άλλων με μικρότερο ή μεγαλύτερο αριθμό στροφών, ακριβώς δηλαδή αυτό που έχει σαν σκοπό ένα κιβώτιο ταχυτήτων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο άξονας εισόδου, που μεταφέρει τη ροπή από τον υδραυλικό μετατροπέα, κινεί το κεντρικό γρανάζι. Καθώς αυτό περιστρέφεται, εξαναγκάζει σε περιστροφή τα δύο πλανητικά γρανάζια που βρίσκονται σε εμπλοκή μαζί του και καθώς αυτά βρίσκονται ταυτόχρονα σε εμπλοκή και με τον ακίνητο δακτύλιο, εξαναγκάζονται τελικά εκτός από την περιστροφή γύρω από τον εαυτό τους να κινούνται και γύρω από το κεντρικό γρανάζι ακριβώς όπως οι πλανήτες γύρω από τον ήλιο). Η κίνηση αυτή έχει τελικά σαν αποτέλεσμα την περιστροφή του πλανητικού φορέα και του άξονα εξόδου, με ταχύτητα ακρότερη απ' αυτήν του άξονα εισόδου. Έχουμε δηλαδή έναν υποπολλαπλασιασμό των στροφών, όπως ακριβώς θα συνέβαινε και κατά τη μετάδοση της κίνησης από ένα μικρότερο σ' ένα μεγαλύτερο γρανάζι σε μια από τις σχέσεις μετάδοσης ενός χειροκίνητου κιβωτίου.
Τα επικυκλικά συστήματα γραναζιών είναι έτσι σχεδιασμένα ώστε να βρίσκονται συνεχώς σ' εμπλοκή μεταξύ τους αρκετά δόντια, για να περιορίζονται οι τριγμοί κατά τις αλλαγές σχέσεων αλλά και για την κατανομή του φορτίου της ροπής σε πολλά δόντια, κάτι που αυξάνει την αντοχή του συστήματος. Επίσης, όλα τα γρανάζια του περιστρέφονται στο ίδιο επίπεδο.
Το σύστημα όμως που περιγράψαμε παραπάνω δεν αποτελεί παρά μια απλουστευμένη σχηματική απεικόνιση των επικυκλικών συστημάτων των αυτόματων κιβωτίων. Στην πράξη τα πράγματα είναι πιο πολύπλοκα και δεν μεταδίδει την κίνηση ο άξονας εισόδου μόνο στο κεντρικό γρανάζι, ούτε ο άξονας εξόδου κινείται μόνο από τον πλανητικό φορέα, ούτε τελικά ο δακτύλιος είναι ακίνητος. Αντίθετα, μέσω ενός αριθμού συμπλεκτών, που ενεργοποιούνται από ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου, η κίνηση από τον κινητήρα μεταδίδεται πότε στο ένα και πότε στο άλλο γρανάζι, απ' αυτό σε κάποιο από τα υπόλοιπα κι από εκεί στον άξονα εξόδου, έτσι ώστε να έχουμε τελικά από κάθε επικυκλικό σύστημα περισσότερες από μία σχέσεις μετάδοσης. Στο σχήμα 3 μπορούμε να δούμε μία σχηματική απεικόνιση των δυνατοτήτων που προσφέρει αυτή η ρύθμιση. Στην πρώτη περίπτωση (Α) η ισχύς μεταδίδεται από τον άξονα εισόδου στο δακτύλιο και το κεντρικό γρανάζι συγκρατείται ακίνητο. Μ' αυτόν τον τρόπο η κίνηση από το δακτύλιο μεταδίδεται τελικά στα πλανητικά γρανάζια, που αναγκαστικά στρέφονται γύρω από το ακίνητο κεντρικό γρανάζι, περιστρέφοντας έτσι τον πλανητικό φορέα και μεταδίδοντας τελικά υποπολλαπλασιασμένη την κίνηση στον άξονα εξόδου. Ένας άλλος συνδυασμός είναι αυτός που περιγράψαμε στο σχήμα 2, ενώ στη δεύτερη περίπτωση (Β) του σχήματος 3 βλέπουμε πως μπορούμε να πετύχουμε την όπισθεν. Εδώ συγκρατείται ακίνητος ο πλανητικός φορέας, κάτι που επιτρέπει στα πλανητικά γρανάζια να περιστρέφονται μόνο γύρω από τον εαυτό τους. Έτσι, όταν ο άξονας εισόδου εξαναγκάζει σε περιστροφή το κεντρικό γρανάζι, αυτό εξαναγκάζει τα πλανητικά γρανάζια να περιστρέφονται με την αντίθετη φορά, προς την οποία παρασύρουν σε περιστροφή και το δακτύλιο, ο οποίος τελικά κινεί τον άξονα εισόδου. Ο άξονας εξόδου λοιπόν περιστρέφεται σ' αντίθετη φορά από τον άξονα εισόδου και την αντίστροφη αυτή κίνηση μεταδίδει μέσω του διαφορικού στους τροχούς, με αποτέλεσμα το αυτοκίνητο να κινείται προς τα πίσω.
Σχήμα 3a: Δύο ακόμη συνδυασμοί μετάδοσης της κίνησης μέσω επικυκλικού συστήματος. Στο Α ο άξονας εισόδου μεταδίδει την κίνηση στο δακτύλιο, ενώ το κεντρικό γρανάζι παραμένει ακίνητο. Οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω απ' αυτό, περιστρέφοντας έτσι και τον πλανητικό φορέα, που κινεί τον άξονα εξόδου με ταχύτητα μικρότερη απ' αυτήν του άξονα εισόδου.
Σχήμα 3b: Στο Β έχουμε έναν από τους τρόπους επιλογής της όπισθεν. Η είσοδος της κίνησης γίνεται από το κεντρικό γρανάζι ενώ ο πλανητικός φορέας παραμένει ακίνητος. Έτσι τα πλανητικά γρανάζια περιστρέφονται μόνο γύρω από τον εαυτό τους και προς την αντίθετη φορά, προς την οποία παρασύρουν σε περιστροφή (με μικρότερο αριθμό στροφών) και το δακτύλιο.
Με τον τρόπο λοιπόν που περιγράψαμε παραπάνω, από κάθε επικυκλικό σύστημα γραναζιών έχουμε τη δυνατότητα, μεταδίδοντας την κίνηση στο ένα από τα τρία μέρη του και κρατώντας ακίνητο ένα άλλο, να πετύχουμε τρεις διαφορετικούς τρόπους μετάδοσης: υποπολλαπλασιασμό, όπισθεν και «οβερντράιβ» (δηλαδή σχέση «υποπολλαπλασιασμού» μικρότερη από 1:1, οπότε ο άξονας εξόδου περιστρέφεται ταχύτερα από τον άξονα του κινητήρα, όπως συμβαίνει με την 5η σχέση στα χειροκίνητα «πεντάρια» κιβώτια και συχνά και με την 4η. Αυτό επιτυγχάνεται συγκρατώντας ακίνητο το κεντρικό γρανάζι, όπως φαίνεται στο σχήμα 3Α, και μεταδίδοντας την κίνηση στον πλανητικό φορέα. Έτσι τα πλανητικά γρανάζια περιστρέφονται και γύρω από το κεντρικό γρανάζι και γύρω από τον εαυτό τους, εξαναγκάζοντας τελικά το δακτύλιο και μέσω αυτού τον άξονα εξόδου να περιστρέφονται με ταχύτητα μεγαλύτερη του πλανητικού φορέα και κατά συνέπεια του άξονα εισόδου).
Από την άλλη πλευρά υπάρχει στο επικυκλικό σύστημα και η δυνατότητα άμεσης μετάδοσης (με σχέση δηλαδή 1:1, σαν να υπήρχε ένας κοινός άξονας ή σαν να υπήρχε ένα ζεύγος γραναζιών ίδιου μεγέθους σ' ένα χειροκίνητο κιβώτιο) και μάλιστα με τρεις διαφορετικούς τρόπους: μεταδίδοντας την κίνηση σε δύο από τα τρία στοιχεία του συστήματος (τα οποία εξαναγκάζονται σε άκαμπτη εμπλοκή), που εξαναγκάζουν το τρίτο να περιστρέφεται μαζί τους προς την ίδια φορά και με την ίδια ταχύτητα περιστροφής.
Για καθαρά πρακτικούς λόγους - μια και χρειάζονται στο σύστημα μετάδοσης δύο σχέσεις υποπολλαπλασιασμού - σε καθένα από τα πλανητικά συστήματα των αυτόματων κιβωτίων δεν χρησιμοποιούνται όλοι οι παραπάνω συνδυασμοί. Σε κάθε κιβώτιο χρησιμοποιούνται τελικά δύο επικυκλικά συστήματα, με τα οποία είναι δυνατή η αυτόματη επιλογή δύο σχέσεων υποπολλαπλασιασμού και της άμεσης μετάδοσης (δηλαδή συνολικά 3 σχέσεων) για κίνηση προς τα εμπρός, «νεκρού» και όπισθεν. Στα αυτόματα κιβώτια που έχουν 4 σχέσεις μετάδοσης (υπάρχει και «οβερντράιβ») προστίθεται κι ένα τρίτο επικυκλικό σύστημα.
Η πιο συνηθισμένη διάταξη των επικυκλικών συστημάτων που χρησιμοποιείται στα αυτόματα κιβώτια, είναι αυτή που περιλαμβάνει ένα κοινό κεντρικό γρανάζι ή, για την ακρίβεια, κεντρικά γρανάζια που βρίσκονται πάνω σ' έναν κοινό άξονα και περιστρέφονται ταυτόχρονα. Έτσι, όταν ο δακτύλιος ή οι πλανήτες του μπροστινού συστήματος μεταδίδουν την ισχύ στο κεντρικό γρανάζι, αυτό με τη σειρά του τη μεταδίδει στο δακτύλιο και τους πλανήτες του πίσω συστήματος.
Η διάταξη αυτή αφήνει δυνατότητες για πολλούς συνδυασμούς, καθώς είναι δυνατοί διάφοροι δρόμοι μετάδοσης της ισχύος μέσω των γραναζιών των δύο επικυκλικών συστημάτων, με κάποια απ' αυτά να περιστρέφονται και κάποια άλλα να συγκρατούνται ακίνητα.
Οι συνδυασμοί αυτοί επιτυγχάνονται με μια σειρά συμπλεκτών και ταινιών συγκράτησης, που ελέγχονται μέσω ενός αριθμού βαλβίδων από το κεντρικό υδραυλικό σύστημα. Όλα αυτά δείχνουν πόσο πιο πολύπλοκο είναι ένα αυτόματο κιβώτιο από ένα χειροκίνητο κι εξηγούν γιατί το κόστος του πρώτου είναι μεγαλύτερο. Σήμερα βέβαια, με τη ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρονικών κα με την ευρεία εφαρμογή τους και στο αυτοκίνητο, υπάρχει αντίστοιχη εξέλιξη και στο συστήματα ελέγχου των αυτομάτων κιβωτίων, ένα μέρος της δουλειάς των οποίων αναλαμβάνεται από τα ηλεκτρονικά, που αντικαθιστούν έτσι κάποια υδραυλικά εξαρτήματα. Πάντα όμως το υδραυλικό σύστημα και ο μετατροπέας ροπής αποτελούν βασικό μέρη των αυτόματων κιβωτίων. Που, απ' ότι φαίνεται, θα εξακολουθήσουν και στο μέλλον να καλύπτουν ένα μέρος της αγοράς αυτοκινήτου, μια και τα πλεονεκτήματά τους είναι σημαντικά κατά την οδήγηση στους όλο και πιο επιβαρυμένου κυκλοφοριακά δρόμους των μεγάλων πόλεων. Και το μόνο πραγματικά νέο που μπορούμε να περιμένουμε για το όχι άμεσο μέλλον στα συστήματα μετάδοσης, είναι η εξέλιξη των συστημάτων συνεχώς μεταβαλλόμενη σχέσης (CVT) σε επίπεδα που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο στις μικρές κατηγορίες αλλά στα περισσότερα αυτοκίνητα. Αλλά αυτό είναι μια εντελώς διαφορετική ιστορία.
