Yapı

Otomatik vites kutusu aracın yük ve yol durumuna uygun olarak kendiliğinden vites değişimi yapan vites kutusudur. Üç kısımdan meydana gelir:

1. tork konvertörü

2. vites dişlileri

3. kavramalar bantlar

4. hidrolik kumanda

Tork konvertörü (moment dönüştürücü)

Bir aktarmanın taşıt hareketsizken motorun serbestçe dönmesine izin vermesi, harekete geçtikten sonra bağlantıyı sağlaması ve bu ikisi arasındaki geçiş süresinde kısmi kavrama yapabilmesi gerekir. Bu geçiş düz şanzımanlı taşıtlarda sürücünün kavramanın baskı kuvvetini ayarlamasıyla gerçekleşir. Otomatik şanzımanlarda ise tork konvertörü adı verilen tor(simit) şeklinde bir kavrama bulunur. Bahsedilen bütün görevlerin altından kolayca kalkarken karşılığında motordan cüzi bir miktar güç çalar. Bu cihaz pervane benzeri bir adet pompa, yine pervaneyi andıran bir adet türbin ve bu ikisi arasında bulunan ve tek yönlü çalışan üçüncü bir pervaneden(stator) oluşur. Konvertör haznesine ve motora doğrudan bağlı olan pompa, hazneyi tamamen doldurmuş olan yağı(ATF-automatic transmission fluid) türbine çarptırır. Türbin de şanzıman dişlilerine bağlıdır. Mekanizmayı karşılıklı duran iki adet vantilatör gibi düşünebilirsiniz. Vantilatörlerin birini çalıştırırsanız öteki de hava itkisi dolayısıyla ters yönde dönmeye başlayacaktır. Aradaki fark, tork konvertöründe havadan çok daha yoğun ve basınç altında sıkışmayan bir akışkan olmasıdır. Pompanın kanatları yağı yönlendirecek şekilde hafifçe kıvrıktır. Yağ pompaya ortadan girer, merkezkaç kuvvetiyle dış kenardan pompayı terk eder. Dış kenardan türbine giren yağ, bu sefer ortadan, yani dairenin merkezinden türbini terk eder. Türbinin kanatları yağın hızından ideal miktarda faydalanması için oldukça kıvrıktır. Orta boşluktan türbini terk eden yağ statora girer. Statorun kanatları türbinden gelen yağı çevirerek tekrar pompaya yöneltir. Yağ statoru türbin ve pompanın aksi yönde dönmeye zorlar. Bu sırada enerji kaybedilmemesi için statorun dönmemesi gerekir. Bu da tek yönlü bir kavramayla sağlanır. Stator, diğer iki bileşenle aynı yöne dönmekte serbesttir, fakat zıt yönde dönmez. Bunu bisikletlerdeki kontra-pedal gibi düşünebilirsiniz.

Şimdi kilit(lock-up) mekanizmasına sahip bir tork konvertörünün hangi durumlarda ne yaptığını aşama aşama inceleyelim.

1) Boş viteste(N)

Pompa motora doğrudan bağlıdır. Dolayısıyla motorun çalıştığı her an pompa da yağ basıncı oluşturur. Boş viteste türbinin dişlilerle bağlantısı kesileceğinden hem pompa hem türbin serbestçe döner. Yağ soğutma devresi açıktır, soğutma işlemi devam eder. Park freni(P) de aslında boş vitestir. Tek farkı bu konumda bir tırnağın park dişlisine girerek şanzımanın, dolayısıyla tekerleklerin hareketini engellemesidir.

2) Viteste(D), gaza basılmıyorken

Motor viteste ve rölantideyken oluşan yağ basıncı taşıtı hareket ettirecek güçte değildir. Türbinin hareketsiz kalması motorun da stop etmesine neden olmaz, çünkü enerji yağ tarafından emilir. Stator sabittir. Aslında frene hafifçe basmazsanız araba yavaşça süzülmeye başlayacaktır. Düz vitesli bir arabayı rölanti devrinde hareket ettiremezsiniz. Ama tork konvertörü motor torkunun çok küçük bir kısmını tekerleklere iletebildiği için örneğin park manevralarında gaza basmanız gerekmez. Bu nedenle bazı otomobillerin otomatik versiyonlarında rölanti devri daha yüksek belirlenmiştir.

3) Viteste, gaza basılıyorken

VAG manual

Motor devri artarken yağın türbine uyguladığı kuvvet de artacağından türbin dönmeye başlar ve dişlilere güç iletir. Hızlanma sırasında türbin pompadan daha yavaş döner. Bu devir farkı motorun torkunda artış olarak geri döner. Olayı basit bir denklemle açıklarsak;

motor devri X motor torku = türbin devri X türbin torku

Devir X tork eşitliği motor gücünün basit açılımıdır. Gücün tamamı işte harcanmak zorunda olduğundan denklemin iki tarafı eşittir. Burada diyelim motor torku 2 birim, göstergeden okunan devir de 6 ise türbin devri 4 olduğu zaman tekerlere iletilen tork 3 birim olacaktır. Kalkış için gereken görece yüksek tork bu şekilde sağlanır. Aslında düz şanzımanda yarım debriyaj yapmak da bundan farklı bir şey değildir. Sert kalkışlarda devir göstergesini dikkatle gözleyecek olursanız, ilk anda motor devrinin belli bir sınırda sabit kalmasına rağmen arabanın hızlandığını fark edersiniz. Arabanın hareketlenmesinin hemen ardından motor devri yavaş yavaş bandın sonuna kadar tırmanır ve araba ikinci vitese geçer. İşte kalkış esnasında devrin sabit kaldığı kısa süre içinde yukarıdaki denklemin sağ tarafındaki rakamlar yer değiştirir. Yani türbin devri artarken tekerleklere iletilen tork azalmaktadır. Bu sırada üçüncü bileşen olan stator sabittir.

4) Sabit hızda seyir

VAG manual

Sabit hıza yaklaşıldığında türbin ve pompanın dönüş hızları birbirlerine iyice yaklaşır. Pompanın kanatlarından çıkan sıvı zaten aynı hızda dönmekte olan türbine girer. Statora ihtiyaç kalmaz. Sıvı, statorun kanatlarına ters yönden çarptığı için onu serbestçe döndürmeye başlar. Hızlar hemen hemen eşitlendiği anda bir sensor bunu algılar ve kilit mekanizmasına(lock-up) kilitlenme emri verir. Eski modellerde bu sensor yerine … Bildiğimiz debriyaja benzeyen sürtünmeli bir kavrama, motor hareketini şanzımana kayıpsız olarak iletir, yakıt tasarrufu sağlar. Tork konvertöründe bütün parçalar aynı hızda ama güç iletmeden serbestçe döner. Kilit mekanizması kimi otomobilde her viteste, kimi otomobilde sadece son viteste çalışır. Bu mekanizma yakıt tasarrufunun yanında yağın gereksiz hareketine son verdiği için şanzımanın soğumasını sağlar. Kilitli mekanizmasının bulunduğu tork konvertörleri genelde daha büyük bir kaydırma oranına sahiptir.

5) Motor freni

VAG manual

İnişlerde vites küçülterek motor freni uygulanırsa, tekerleklerin döndürdüğü türbinin hızı doğal olarak pompanın hızından fazla olacaktır. Bu durumda stator pompa ile aynı yönde dönerek pompayı ve dolayısıyla motoru hızlandıracak, sistemin enerjisini sönümleyecektir.

6) Yavaşlama, süzülme

Seyir halindeyken ayak gaz pedalından çekildiğinde, şanzıman çoğunlukla yüksek vitestedir. Motor devri düşüktür, pompa, türbin ve statorun hızları birbirine çok yakındır. Dolayısıyla türbin, pompayı daha hızlı dönmeye zorlamaz ve motor devri rölanti seviyesi yakınlarına kadar düşer. Motor, şanzımanı kendi hızına inmeye zorlayıp otomobili yavaşlatmaz. Bu, yakıt tasarrufu sağlar. Bunun için elbette kilit mekanizmasının serbest kalması gerekir. Modern otomobiller özellikle yokuş inerken otomobilin serbestçe hızlanmasını engellemek için vites düşürüp motor freni uygular. Güncel elektronik enjeksiyon sistemleri motor freni sırasında yakıt kullanmadığı için tasarrufludur, fakat bu anda otomobilin yavaşlayıp enerjiyi ziyan etmesi istenmiyorsa gaza hafifçe dokunarak şanzımanın vites büyütmesi beklenir.

Vites dişlileri

Otomatik şanzımanlarda çoğunlukla gezegen dişli(episiklik dişli) sistemi kullanılır. Bu dişliler şanzıman dışında marş motorlarında, diferansiyellerde, vinçlerde, mutfak aletlerinde, kabestanlarda(gemi halatı çıkrığı) kullanılır. En küçük hacimde en çok oranı sağlamak için bu sistem idealdir. Yükü eşit dağıtması ve %98 dolaylarındaki yüksek verimliliği bu sistemi diğer dişli tiplerine göre üstün kılar.

Bir gezegen dişli seti merkezde bir güneş dişli, bunun etrafında en az 3 gezegen dişli ve gezegenleri çevreleyen bir çember dişliden oluşur. Bu üç elemanın her biri giriş ya da çıkış dişlisi olarak görev yapabilir. Bunun yanında bu üç elemandan herhangi biri sabitlenerek diğer iki eleman arasında değişik oranlar yakalanabilir. Bu sabitleme ya da durdurma işlemi dairesel sürtünme bantları ya da durdurucu kavramalar ile gerçekleştirilir. Bu bantların ve kavramaların eşzamanlı çalışması ile oranlar değiştirilirken güç aktarımı kesintiye uğramamış olur.

Bentley manual

Gezegen(episiklik/planet) dişli sistemi

Resimdeki gezegen seti ele alalım. Çember dişli C, güneş dişli A ve gezegen taşıyıcısı B ile gösteriliyor. C’yi kilitler ve A’yı motora bağlar, yani döndürürsek A ile B arasında büyük bir indirgeme oranı oluşur. Bu oran sözgelimi 1. vites olarak kullanılabilir. C’yi yine kilitler ve bu sefer B’yi döndürürsek daha kısa bir oranla A’ya güç aktarırız. Bu da diyelim 2. vites olsun. Şimdi A’yı kilitler B’ye güç verirsek C’den güç alırız. Bu da en uzun oranımız olur. B’yi kilitlersek bu sefer A ve C birbirinin ters yönünde dönecektir, bu da geri vites olarak kullanılabilir. Boş viteste ise bütün kavrama ve bantlar serbest kalacak, bütün dişliler serbestçe dönebilecek ama tekerleklere güç aktarılmayacaktır.

Gezegen dişli sistemlerinin Simpson, Lepelletier, Ravignaux gibi çok elemanlı versiyonları da vardır. Bunlarda birden fazla dişli grubu değişik kombinasyonlarda kullanılarak daha çok oran elde edilir.

Kavramalar(balatalar)

familycar.com

Kavrama grubu

Dişli setlerinin birbiriyle ilişkisi yukarıda anlatıldığı gibi kavrama setleri ve bantlarla gerçekleşir. Kavrama paketi iki, üç ya da daha fazla kavrama diskinden oluşur. Bu disklerin yüzeyi küçüktür ancak çok sayıda bir araya gelip büyük bir yüzey oluştururlar. Disklerin yarısı düz yüzeyli metal, yarısı da bileşik sürtünme malzemesinden oluşur. Bunlar bir tamburun içinde resimdeki gibi sıralanırlar. Bir servo piston baskı uygulayarak bunları sıkıştırır. Bu kavramalar kuru kavramalardan farklı olarak her zaman şanzıman yağının içinde çalışırlar.

Bantlar

familycar.com

Fren bandı

Bant, iç yüzeyi bileşik sürtünme malzemesiyle kaplanmış çelik bir kuşaktır. Bu silindirik kuşağın bir ucu vites kutusuna bağlıdır, diğer ucu ise bir servo pistona. Piston yağ basıncı ile faaliyete geçtiği zaman bant sıkışır ve içindeki tamburu durdurur. Önden çekişli otomobillerde bandın yerini genellikle kavrama diski almıştır.

Hidrolik kumanda

Honda manual

Hidrolik kumanda sistemi şanzımanın “aklı” ya da “beyni” diyebileceğimiz bir kanallar ve borular labirentidir. Vites sayısı arttıkça, şanzıman mantığı geliştikçe bu labirent karmaşıklaşır. Bu kanallardan geçen yağın basıncı, kanalların ucundaki yaylı supapların açılıp kapanmasını, dolayısıyla vites değişimini sağlar. Elektronik işletim sistemlerinin kullanılmaya başlanması bu labirenti bir miktar basitleştirdiyse de ortadan kaldırmamıştır.

mez.co.uk

Yağ

Sadece yağlama görevini yerine getiren motor yağının aksine otomatik şanzıman yağının birçok görevi vardır. Bunlar yağlama, güç aktarma, vites seçimi, vites değişimi ve soğutmadır. Sistemin kanı, canı sayılan bu sıvının bu kadar çok işin altından başarıyla kalkabilmesi için doğal olarak hiç eksilmemesi gerekir. Bazı modellerde elektronik beyin bile yağın içindedir.

Yağ pompası

howstuffworks.com

Hidrolik sistemdeki yağın basıncını sağlayan yağ pompası genellikle tork konvertörünün hemen arkasında, ana şafta bağlıdır. Dolayısıyla motorun çalıştığı her an yağ pompası da çalışacaktır. Kutunun dış kenarında bulunan yağ filtresinden süzülen yağ pompa tarafından hidrolik kumanda ve diğer sistemlere basınçlı olarak ulaşır. Yağın basıncının belli aralıkta tutulması için sisteme bir basınç regülatörü dahil edilmiş ya da değişken debili yağ pompası kullanılmıştır.

Supaplar ve modülatörler

Doğru vitesi seçebilmek için şanzımanın motorun ne kadar zorlandığını bilmesi gerekir. Bunun iki yolu vardır. Gaz teli basitçe şanzımana bağlıdır. Bu tel şanzımanın içinde bir supabı kumanda eder. Kimi otomobillerde ise emme manifoldunu şanzımana bağlayan bir vakum borusu vardır. Motorun yükü arttığında manifold basıncı düşer, azaldığında yükselir.

Diğer bir ana parça vites koluna bağlı olan supaptır. Bu seçici supap hangi konum seçilmişse ona göre bazı devreleri kapatır, bazılarını besler. Örneğin üçüncü vites seçiliyse, 4. vites devresini kapatarak 4. vitesin etkinleştirilmesini engeller.

Bunun yanında her vitesin etkinleştirilmesini sağlayan ayrı ayrı supaplar vardır. Resimde örneklendiği şekilde, vites supabının bir ucunda governordan gelen basınçlı yağ, diğer ucunda gaz pedalından ya da vakum modülatöründen gelen basınçlı yağ vardır. Bu ikisinin karşılıklı çalışması sayesinde, eğer çok gaz verilirse vites büyütme geciktirilir. Gaza az basılırsa manifold tarafından gelen basınç düşük olacağı için erken vites büyütülür. Vites küçültme işlemi de bunun tam tersi olacaktır. Her vitesin supabı farklı basınç aralıklarına duyarlı olduğundan örneğin 130km/s hızla giderken governor basıncı 2. vites supapının etkinleşmesini engelleyecektir.

Güncel elektronik şanzımanlarda bu vites değiştirme supaplarının yerini elektronik beyin almıştır. Her türlü vites değişimine işlemci karar verir. Fakat kavramalar ve bantlar yine yağ basıncıyla etkinleştirilir. Bazı yeni şanzımanlarda bu etkinleştirme işini de işlemci kontrollü elektrik motorları devralmıştır. Eksilen parçalar olduğundan hidrolik tesisat bir miktar daha basittir. Bu sistem daha hassastır ve motor sıcaklığı, yol eğimi, patinaj kontrol, ABS fren gibi daha fazla veri girdisini hesaba katarak işlem yapabilir. Sürücünün kullanım tarzına uyum göstererek vites rejimini ayarlaması da mümkündür. Elektronik kumanda sistemi, fren esnasında vites düşürerek daha güvenli duruşlar sağlamak, direksiyon açı sensorunu izleyip viraj içinde vites büyütmeyerek yola tutunmayı artırmak gibi birçok görevi gerçekleştirme potansiyeline sahiptir. Ayrıca motor işletim sistemi ile eşgüdümlü çalışarak vites geçişlerinin daha yumuşak olmasını sağlar. Şanzıman işlemcisi motora vites değiştirme sinyali verdiğinde motor işlemcisi ateşleme avansıyla oynayarak motor torkunu düşürür. Bu sayede vites değişimindeki sarsıntı azalır.

Governor

Governor şanzımana aracın hızını bildiren supaptır. Çıkış dişlisine bağlı bir yaylı supap dişlinin dönüş hızıyla orantılı basınç üretir. Yağ pompasından gelen yağ önce governordan geçerek devreyi dolaşır.

Enerji kaybı

Otomatik vites kutularının düz vites kutularına göre verimsiz olmasının birkaç nedeni vardır. Öncelikle düz viteste ortalama verimliliğin, sürüş şartlarına göre değişmekle birlikte %93~96, otomatik viteste %88~92 olduğunu belirtmekte fayda var. Yani manuel sistemlerde gücü olduğu gibi iletemiyor. Otomatik şanzımanda enerji emen noktalar daha fazla. Bunlardan birincisi tork konvertörü. Yağlı kavrama sistemi yukarıda anlatıldığı gibi hareketi bir miktar kayıp vererek iletiyor. Burada tork konvertörünün parçalarının yağla olan yüzey sürtünmesi ve yağın iç sürtünmesi(viskozitesi) enerjinin bir kısmını ısıya dönüştürür. Kilitli tork konvertörleri bu dezavantajı ortadan kaldırırlar. Sabit hızda ve hafif hızlanmalarda tork konvertörü devreden çıkarılarak kaybın önüne geçilir. Otomatik vitesli arabaların sakin bir sürüşle düz vitesli benzerlerine yakın, hatta aynı tüketim değerleri tutturabilmesinin püf noktası budur.

İkincisi şanzımanın daha büyük eylemsizliği(ataleti) nedeniyle kaybedilen enerjidir. Dişli sayısının fazlalığı ve özellikle gezegen dişli sistemindeki hareketli parçaların ağırlığı enerji kaybının oluştuğu noktalardır. Bunun yanında kavramalar, durdurucu bantlar ve gezegen dişli taşıyıcıları da hareketli kütlenin artmasına neden olur. Devamlı surette radyatöre ve hidrolik kumanda birimine basılan yağ için de cüzi bir miktar enerji harcanır.

Üçüncü kayıp noktası şanzımanın iç kavramalarında oluşan hareket kaybıdır. Resimlerde göreceğiniz gibi kavramalar serbest pozisyondayken yüzeyler birbirine çok yakındır. Dolayısıyla aralarındaki yağ bir sürtünme yaratır. Tekerlekleri yerden kesilmiş bir araba N konumundayken tekerleklerinin yavaş yavaş dönmesinin nedeni işte bu sürtünmedir.

Aynı otomobilin otomatik versiyonu, marka ve modele göre değişkenlik göstermekle birlikte %5~15 fazla yakıt tüketir. Bunun olası nedenlerinden biri kademe sayısının azlığıdır. Özellikle eskiden otomatik şanzımanlarda vites sayısı düz şanzımanları bir ya da iki kademe geriden takip ediyordu. Son yıllarda beş, altı, hatta uç örneklerde sekiz ileri hızın görülmesi ile bu dezavantaj geçerliliğini yitirmeye başladı.