CVT
Yapım aşamasında…
ESI, Sevilla
20. yüzyılın başlarında kullanılmış olan ilk CVT, “sürtünmeli CVT”
Bugünkü CVT’nin ilk uygulaması olan 1962 model DAF “Variomatic” şanzıman
CVT’nin tarihi vites kutusunun tarihi kadar eskidir. 20. yüzyılın başında deneysel CVT modelleri denenmişti. Sürtünmeli CVT(friction CVT) denen bu sistem standart şanzıman olarak otomobillerde kullanıldı, ama o yıllarda seri üretimden söz etmek mümkün değildi. Aslında sistem ilke olarak 1490’da Leonardo DaVinci tarafından ortaya konmuştu. Bildiğimiz anlamıyla ilk sürekli değişken şanzıman (Continuously Variable Transmission) ilk olarak 1958’de Hollandalı üretici DAF’ın 600 model otomobilinde görüldü. Kurucu Huub van Doorne otomatik şanzımanlı bir otomobil üretmek istemişti. O yıllarda Amerikan otomobillerinde kullanılan şanzımanlar çok büyük ve ağırdı. Ucuz ve küçük 600’de kullanılmaya elverişli değildi. Bunun üzerine farklı bir sistem geliştirildi. İki silindirli 250cc motora sahip küçük otomobilin arka aksında yerleştirilmiş iki simetrik kayış sistemiyle güç arka tekerleklere aktarılıyordu. Aslında her tekerleğin kendi şanzımanına sahip olduğu bu sistemde, lastiklerden biri patinaja düştüğünde diğeri güç aktarmaya devam ediyordu. Bu özellik iki kapılı otomobilin rallilerde tercih edilme nedeni oldu. Bir diğer ilginç özelliği ise hem ileri hem geri viteste 90km/s hıza ulaşabilmesiydi.
DAF’tan sonra 1987’de Subaru Justy GL’de görülen elektronik kontrollü şanzımana kadar yaklaşık 35 yıllık bir boşluk oluştu. E-CVT adıyla sunulan bu Japon arabalarına nadir de olsa hala çalışan örneklerine yollarımızda rastlamak mümkün.
1987 Subaru Justy, 1000cc ve 1200cc CVT
Bu sistem bugün Honda, Audi, Ford gibi markalarda gördüğümüz CVT’nin atasıdır. Her bir tarafta iki kasnak ve bu kasnaklara bağlı iki kauçuk kayış vardır. Kasnaklar iki konik tamburdan oluşur. Tamburların arasındaki mesafe artması ve azalmasıyla değişken kasnak çapları ve değişken indirgeme oranları elde edilir. Tamburlar arasındaki mesafe motor manifold vakumu ve devir ile ayarlanır. Sistem sadece bir yarışın ardından yasaklanmış olmakla birlikte Formula 1’de de Canon – Williams takımı tarafından kullanılmıştır. Günümüzde scooterlarda benzer sistem kullanılmaktadır. Otomobillerde kullanılan güncel CVT’lerde kayış yerine bileşik metal kayış ya da zincir kulanılmakta. Örneğin Audi Multitronic olarak adlandırdığı şanzımanında tamamen zincire geçmişken Honda Jazz’da bileşik metal kayış vardır.
Williams Formula 1 takımının FIA tarafından yasaklanan CVT şanzımanı
Modern CVT şanzımanlar başlıca iki türlüdür. Birincisi, daha yaygın olanı, değişken çaplı kasnak sistemi, diğeri de Nissan’ın ürettiği silindirli(extroid) sistemdir.
Kayışlı/zincirli sistem
timgilles.com
Kasnaklar elektronik kontrollüdür. Elektrik motorlar tarafından modüle edilen yağ basıncı tamburların aralığını belirler. Kayışın kaymasını önlemek için gerekli silindir basıncı iletilen torka göre değiştirilir. Hız oranı oluşumu ve kayış kenetlenme yükü kontrolü tork ve kasnak pozisyon sensörleri ile elde edilir.
Geri vitesin oluşması için şanzımanın önüne bir gezegen dişli sistemi eklenmiştir. Gezegen dişli sisteminin iki ayrı konumu ileri ve geri vitesleri belirler. Bu iki ayrı konum da yine elektronik kontrollü iki adet çoklu kavrama sistemiyle sağlanır. Bazı modellerde bunun yerini basit viskoz kavrama ya da kuru kavrama almıştır.
Sistemin nasıl çalıştığı ile ilgili İngilizce açıklamayı http://www.youtube.com/watch?v=4kNtFu9kbEY adresinde bulabilirsiniz.
• V-şeklindeki plakalara bağlantılı olan çelikten yapılmış, ince, düz gerilim bantlarından oluşmuştur (Şekil 4).Yaklaşık olarak 300 adet plaka vardır ve herbiri 2 mm kalınlığa, 25 mm genişliğe ve 12 mm derinliğe sahiptir.
• Kayış, yay çeliğinden yapılmış bantlar yardımıyla birbirleriyle uygun aralıklarda birarada tutulan yüzlerce ince çelik plaka ihtiva eder ve temas yüzeylerinin fazla derin olmayan (sığ) koni şeklinde olmasından dolayı makaranın yüzeylerine açılmış 11o açılı V-yuvaları arasına oturur. Her makara kendi eksenleri etrafında dönüşlerini yaparken kayış üzerindeki elemanları aşağı doğru sıkıştırır. Bant kümeleri sürtünmeden sakınmak için karşılıklı olarak çok dar toleranslara sahiptir. 2 ile 6 mm arasındaki kalınlığa sahip plakalar, bantlar üzerinde serbestçe hareket edebilir ve birbirlerini ileriye doğru iterler (Şekil 5).
obitet
obitet
Audi Multitronic
Yapım aşamasında…
Audi
Multitronic şanzıman zinciri. Makaraya tutunan yüzey zincir pimlerinin özel şekilli uçlarıdır.
obitet
Silindirli(extroid/toroid) sistem
histomobile.com
Nissan’ın arkadan çekişli sedanlarda kullandığı extroid CVT şanzımanı
auto-innovations.com
İlk patenti 1886’da alınan fakat ilk kez Nissan’ın 1999’da seri üretim otomobillerde kullandığı sistem, tamamen pürüzsüz yüzeylerin özel bir yağ yardımıyla hareketi birbirine iletmesi ilkesine dayanıyor. Her türlü makine yağının aksine, basınç altında katı lifler oluşturup sürtünme kuvveti oluşturan bu yağ konik tamburlarla pivot hareketi yapan silindirler arasında bir sürtünme filmi oluşturur. Bu ileri teknoloji ürünü özel yağın ve şanzımanın geliştirilmesi çok uzun sürmüştür. Hala endüstri standardı olmamış bu şanzımanın kullanımı şu anda Nissan modelleriyle sınırlıdır. Aynı ilkeye dayalı bir başka patentli şanzıman için Torotrak.com ’a bakınız. Benzer bir mekanizmaya sahip CVT bisiklet şanzımanları şu anda üretilmektedir.
Prius şanzımanı
Yapım aşamasında…
Power split device
Bir elektrik motoru ve bir içten yanmalı motorun ön aks üzerinde görev yaptığı mucize otomobil Prius’ta aslında bildiğimiz anlamıyla “şanzıman” yoktur. Kavrama, alternatör ve marş motoru da yoktur. Karşılıklı olarak yerleştirilmiş motorlar hareketlerini bir gezegen dişli seti yardımıyla ön tekerleklere iletir.
Toyota’nın bir diğer melez elektrikli otomobili olan Lexus GS450h’de tamamen farklı bir aktarma sistemi vardır. Geleneksel arkadan çekişli düzene sahip otomobilde elektrik motorları şanzımanın içine entegre edilmiştir. Bu tip melez aktarmalarda elektrik motorları(aynı zamanda dinamolar) gezegen taşıyıcısına, çember ya da güneş dişliye doğrudan ya da bir kavrama vasıtasıyla bağlıdır. Elektrik motorunun çember ya da diğer dişlileri değişen hızlarda döndürmesi ile ortaya sürekli değişen bir indirgeme oranı çıkar. Zaten bu nedenle bu tip melez şanzımanlar CVT olarak tanımlanmaktadır.
Hidrostatik CVT
Değişken stroklu bir yağ pompası ve değişken stroklu bir hidrostatik motordan oluşur. Pompa stroğu, motor stroğu ve yağ basıncı değiştirilerek aktarma oranı ve tekerlek torku kontrol edilir. Bu sistemin kayışlı ve silindirli sistemlerde olduğu gibi tork iletme kapasitesi kısıtlı değildir. Nitekim günümüzde ATV, belediye otobüsü, çöp kamyonu gibi çeşitli taşıtlarda başarıyla kullanılmaktadır. Steyr, John Deere gibi markalar tarım traktörlerinde hidrostatik CVT kullanmaktadır. Gürültü, tüketim, egzoz emisyonu, sürücü yorgunluğu gibi konularda düz şanzımanlarla kıyas kabul etmeyecek kadar başarılıdır.
Hidrodinamik CVT
Tork konvertörleri tek başlarına ya da ardışık çift olarak CVT olarak geçmişte kullanılmışlardır. Tork konvertörlerinin yaptığı iş zaten hızı ve torku nispeten kısa bir aralıkta kademesiz olarak değiştirmekten başka bir şey değildir.
CVT’nin avantajı
Düz ya da otomatik, hiç bir şanzıman devir indirgeme görevini mükemmel yapamaz. Çünkü 3 ile 8 arasında değişen sayıda kademelerden biri kullanılmak zorundadır. İçten yanmalı motorların hiç bir zaman dümdüz bir tork eğrisi olmaz. Yani güç ya da ekonomi için kullanılabilecek ideal devir aralığı, motorun çevirebileceği tüm devir aralığına kıyasla çok kısadır. Bu aralığın dışına çıkmamak için yeterince çok vites oranına ihtiyacınız vardır. CVT, motoru daimi olarak istenen devirde tutarak bu sorunu çözer. http://youtube.com/watch?v=9N_3aSmWhys adresinde bir CVT şanzımanın azami ivmelenme için motoru sürekli azami güç devrinde tuttuğunu izleyebilirsiniz.
120~130km/s gibi sabit hızlarda seyrederken diğer şanzımanlarda mümkün olmayan 2000~2500 gibi düşük devirler, dolayısıyla manuel şanzımanlardan bile daha düşük tüketim yakalanabilir. Düşük tüketim dolayısıyla düşük emisyon değerleri de cabası. Kalkış ya da sollama anında gaza sonun kadar basıldığında motor aniden azami güç devrine yükselir ve otomobil hızlanırken o devirde sabit kalır. Fakat bu ani devir yükselişi sürücüde “debriyajın kaçırması” benzeri bir duygu uyandırdığı için, sportif tatmin sağlamak amacıyla bazı yeni model şanzımanlar devri hızla birlikte hafif yükseltecek şekilde modifiye edilmiştir. ……… adresindeki videoda bu şekilde optimize edilmiş bir Jazz modelinin nasıl hızlandığına dikkat edin.
Ayrıca bazı modellerde sürüş zevki vermesi için kademeli şanzıman oranlarının taklit edildiği manuel kumanda olanağı eklenmiştir. Honda Jazz’da gördüğümüz “yedi ileri” vites aslında şanzıman yazılımının yedi ayrı vites oranını aradaki oranları atlayarak taklit etmesinden başka bir şey değildir. Jazz, 14 vitesli de olabilirdi, 140 vitesli de… BMW Mini’de ise durum farklı. Mini’nin ZF tarafından geliştirilen CVT’si önceden belirlenmiş 6 kademe arasında gidip geliyor. Sürekli bir geçiş söz konusu değil. Yani manuel konumda da otomatik konumda 6 orandan birini seçiyor.
1998 model bir Ford Fiesta örneğinde kasnaklar alt 2.6:1 ve üst 0.445:1 arasında daimi değişken bir çevrim oranı sağlar. Aynı motora eşlik eden düz şanzımanlı versiyonda oranlar 3.58 ile 0.76 arasında değişir. CVT şanzımanda oran değişim katsayısı 5.8 iken düz şanzımanda 4.7’dir. Yani CVT şanzıman aktarma oranını daha geniş bir aralıkta ayarlayabilmektedir.
Olaya rahatlık yönünden bakarsak, CVT’ler yine birer otomatik şanzıman. Sürücünün sadece “hızlan” ve “yavaşla” komutları vermesi gerekiyor. Geleneksel otomatik şanzımanlarda kademeler arası geçiş her zaman çok yumuşak olmayabilir. Özellikle hızlı kullanımlarda sert vites geçişleri nedeniyle sırtınıza tekme yemiş gibi hissedebilirsiniz. Bu tekmenin şiddeti marka ve modele göre değişir. Hele son yıllarda piyasaya çıkan “otomatikleştirilmiş manuel”, yani bildiğimiz senkromeçli, kuru kavramalı düz şanzımanın robotlaştırılmış halleri, durumu kimi zaman dayanılmaz boyutlara ulaştırıyor. Bazı otomobillerde devir saatine bakmadıkça vites değişimini anlayamazsınız. Örneğin Volkswagen’in DSG şanzımanı, hidrolik olmamasına rağmen vites değişimlerini bir mucize kusursuzluğunda yapar.
CVT’nin kullanımla ilgili olarak geleneksel(hidrolik) otomatik şanzımanlara üstünlüğü hakkında http://youtube.com/watch?v=iTX_iYW5x10 adresindeki videoyla genel fikir sahibi olunabilir.
CVT’nin dezavantajı
Kayışlı CVT’ler ancak kayışın kaldırabileceği kadar tork aktarabilir. Bu zayıf nokta bu aktarma tipinin uzun süre Subaru Justy E-CVT, Fiat Panda Selecta gibi küçük ve zayıf otomobillerle sınırlı kalmasına neden oldu. Audi kayışı metal zincirle değiştirerek bu handikabı kısmen aştı. Ama Toroidal şanzımanlarda da benzer olarak tork kapasitesi yağ filminin oluşturabildiği sürtünme ile sınırlıdır. Hiçbir zaman bir dişlinin teorik olarak sonsuz tork iletme kapasitesine erişemez.