Κιβώτιο ταχυτήτων (σασμάν – gearbox)

Παρεμβάλλεται ανάμεσα στο στροφαλοφόρο άξονα και το διαφορικό και πρόκειται για μία συναρμογή οδοντωτών τροχών (γραναζιών), που σκοπό έχει να προσαρμόζει τη ροπή και τις στροφές του κινητήρα στις ανάγκες της κίνησης. Επινοήθηκε με βάση το δεδομένο ότι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης δεν έχουν σταθερή καμπύλη απόδοσης, για να δίνεται η δυνατότητα να λειτουργούν συνεχώς στην ωφέλιμη περιοχή στροφών τους. Συνήθως τα μηχανικά κιβώτια ταχυτήτων έχουν πέντε ή έξι διαφορετικές σχέσεις υποπολλαπλασιασμού για την κίνηση προς τα εμπρός και μια για την κίνηση προς τα πίσω. Το κιβώτιο ταχυτήτων μπορεί να είναι χειροκίνητο ή αυτόματο ενώ υπάρχουν περιπτώσεις με επτά σχέσεις (Mercedes-Benz 7G-Tronic) ενώ η Lexus ετοιμάζει αυτόματο κιβώτιο με οκτώ σχέσεις.

Τα κιβώτια ταχυτήτων (σασμάν) ονομάζονται έτσι γιατί ουσιαστικά μοιάζουν με «κουτιά που περιέχουν γρανάζια» (εξού και ο αγγλικός ορισμός «gearbox»). Σκοπός τους είναι να μεταφέρουν την ισχύ από τον συμπλέκτη στοο διαφορικό και από εκεί στους τροχούς και να δημιουργούν μεταβλητή σχέση μετάδοσης με εμπλοκή γραναζιών διαφορετικής διαμέτρου ή με διαφορετικό αριθμό οδοντώσεων ώστε οι rpm του κινητήρα να διατηρούνται κοντά στην ωφέλιμη περιοχή.
Μεγαλύτερη διάμετρος σημαίνει μικρότερη ταχύτητα αλλά μεγαλύτερη στρεπτική ροπή, δηλαδή «…ότι χάνουμε σε ταχύτητα το κερδίζουμε σε δύναμη». Με λίγα λόγια τα κιβώτια μεταβάλουν την ροπή στρέψης και την ελκτική δύναμη του αυτοκινήτου (του κινητήρα), απομονώνουν την κίνηση (νεκρά) και φυσικά προσφέρουν δυνατότητα οπισθοπορείας (όπισθεν). Χωρίζονται σε πέντε μεγάλες κατηγορίες: στα μηχανικά κιβώτια (τα γνωστά χειροκίνητα), στα κλασικά αυτόματα, στα «ρομποτικά», στα «διπλοσύμπλεκτα» και στα τύπου CVT.

Μηχανικά κιβώτια
Ένα απλό κιβώτιο αποτελείται από το περίβλημα (κέλυφος ή case), τους άξονες και τους οδοντωτούς τροχούς (άξονες). Προσπερνώντας την παρωχημένη διάταξη με τα ολισθαίνοντα πάνω στους άξονες γρανάζια να πούμε πως στα κιβώτια σταθερής σύμπλεξης υπάρχουν δύο μεγάλοι άξονες, ο πρωτεύων που μεταφέρει τη ροπή από το συμπλέκτη και έχει σταθερό γρανάζι (εισόδου) με ίδιες rpm με τον στροφαλοφόρο. Ο δευτερεύων βρίσκεται παράλληλα και βρίσκεται σε μόνιμη εμπλοκή με τον πρωτεύων όταν ο οδηγός δεν πατά συμπλέκτη.
Αναλυτικότερα τα γρανάζια βρίσκονται σε μόνιμη εμπλοκή μεταξύ τους ανά ζεύγη και γυρίζουν ελεύθερα στον άξονα τους («τρελά») μέχρι να κλειδώσει την κίνηση το ενδιάμεσο γρανάζι εμπλοκής (κόμπλερ, συνδετικός δακτύλιος) που γλιστρούν πάνω στον δευτερεύων άξονα. Κάθε φορά που ο οδηγός μετακινεί τον μοχλό μετακινείται και το αντίστοιχο κόμπλερ και με αυτό τον τρόπο η εμπλοκή των γραναζιών δεν γίνεται απευθείας αλλά μέσω των κόμπλερ για ομαλότερη και αθόρυβη λειτουργία. Τα παραπάνω είναι τα κιβώτια σταθερής σύμπλεξης.
Υπάρχουν τα ασυγχρόνιστα (για ειδικές εφαρμογές) και συγχρονισμένα κιβώτια (στα επιβατικά). Η διαφορά ανάμεσα σε ένα ασυγχρόνιστο και συγχρονισμένο κιβώτιο έχει να κάνει με ένα πρόσθετο «δακτυλίδι» που υπάρχει ανάμεσα στο κόμπλερ και στο κάθε γρανάζι ώστε να επιβραδύνει το γρανάζι της ταχύτητας και να κουμπώσει το κόμπλερ ομαλά. Με άλλα λόγια υπάρχουν ειδικοί κωνικοί συγχρονιστές (συγχρονιζέ) που κανονίζουν τις στροφές των γραναζιών ώστε να γίνεται ομαλά η σύμπλεξη. Όπως θα δούμε παρακάτω στο απλό μηχανικό κιβώτιο βασίζονται τα αυτοματοποιημένα (ρομποτικά).

Σειραϊκό κιβώτιο
Το σειραϊκό (και όχι σειριακό) προκύπτει από την διαδοχική αλλαγή των σχέσεων. Σε ένα πραγματικά σειραϊκό κιβώτιο (αν και χρησιμοποιούμε τον όρο αυτό για να περιγράψουμε ημιαυτόματα κιβώτια) οι σχέσεις κατεβαίνουν ή ανεβαίνουν με την σειρά σπρώχνοντας ή τραβώντας το λεβιέ ή τα paddles με βασικό μειονέκτημα την κυκλική αλλαγή (δηλ. αν υπάρχει κουμπωμένη 5η θα πρέπει να σπρωχτεί το λεβιέ 4 φορές για να κατεβάσεις σε 1η). Οι μοτοσικλέτες και τα γνωστά «παπάκια» έχουν την πιο απλή μορφή σειραϊκού κιβωτίου ενώ στους αγώνες εμφανίστηκαν την δεκαετία του 1980. Η διαδοχική τους αλλαγή προστατεύει από «σπασμένα» κιβώτια και η αρχή λειτουργίας βασίζεται κυρίως σε ασυγχρόνιστα γρανάζια όπου οι θέσεις τους αλλάζουν από ένα κύλινδρο (φανταστείτε κάτι σα «μύλο») αντί του κλασικού επιλογέα. Ο κύλινδρος οδηγεί τις φουρκέτες σε χαραγμένους οδηγούς σε κάθε βήμα της περιστροφής του.

Αυτοματοποιημένα κιβώτια (ρομποτικά)
Εδώ υπάρχει ένας αυτοματοποιημένος συμπλέκτης όπου οι αλλαγές των σχέσεων γίνονται με την βοήθεια ηλεκτροκινητήρα που ενεργοποιεί τον συμπλέκτη. Εκτός από τον ενεργοποιητή για τον συμπλέκτη το ηλεκτροϋδραυλικό σύστημα περιλμβάνει ακόμη ένας για τη αλλαγή των γραναζιών/σχέσεων. Με απλά λόγια, το πάτημα του πεντάλ του συμπλέκτη (που δεν υπάρχει) το αναλαμβάνει ένας ηλεκτροκινητήρας όπως και την αλλαγή των σχέσεων που αντί να γίνεται χειροκίνητα εκτελείται και πάλι ηλεκτροϋδραυλικά.
Έτσι, κάθε φορά που ο οδηγός επιλέγει το σειραϊκό πρόγραμμα (αντί της αυτόματης επιλογής D) ένας αισθητήρας αντιλαμβάνεται την μετακίνηση του επιλογέα {συνήθως πάνω-κάτω με υποδείξεις (+) για ανεβάσματα και (-) για κατεβάσματα} π.χ. από την 2α. Τότε η ηλεκτρονική μονάδα δίνει εντολή για μείωση των rpm του κινητήρα, ο συμπλέκτης ανοίγει, ο ενεργοποιητής αλλάζει π.χ. στην 3η σχέση και ο συμπλέκτης ξανακλείνει ώστε να μεταφερθεί η ροπή. Φυσικά, όταν το αυτοκίνητο τείνει να ακινητοποιηθεί ή όταν επεμβαίνει το ABS «μπαίνει» αυτόματα νεκρά.
Πλεονεκτήματα: δεν επιβαρύνουν την κατανάλωση, μικρό κόστος κατασκευής, αξιοπιστία
Μειονετήματα: σχετικά αργή αλλαγή των σχέσεων, κόμπιασμα κατά τη αλλαγή
Παραδείγματα: Alfa Romeo 156 Selespeed, Opel Easytronic, Fiat Dualogic, Citroen Sensodrive κ.α.
Παλαιότερα υπήρχαν μοντέλα (Saab Sensonic, Mercedes-Benz A-Class, Renault Zoom) μόνο με αυτοματοποιημένο συμπλέκτη και την μετακίνηση του επιλογέα σε κάθε θέση της σχέσης έπρεπε να τις κάνει ο οδηγός όπως σε ένα μηχανικό κιβώτιο. Στον αντίποδα υπήρχαν και αυτοματοποιημένα μηχανικά κιβώτια με υψηλής πίεσης ηλεκτροϋδραυλικούς ενεργοποιητές για σπορ οδήγηση όπως το SMG II της BMW που ήταν άμεσα ανταγωνιστικό της Ferrari 360 Modena F1 (με χρόνο αλλαγής 80 ms, ως μέτρο σύγκρισης το Selespeed της Alfa Romeo ήταν περίπου 10 φορές πιο αργό). Το νέο Sensodrive με τις 6 σχέσεις στο Citroen C3 χρειάζεται 0,8-1,2 sec (ανάλογα με τις συνθήκες φορτίου) για να «ανεβάσει» σχέση.

Κιβώτια διπλού συμπλέκτη
Πρόκειται για ένα τύπο κιβωτίου που γίνεται δημοφιλέστερο όλο και περισσότερο με πρόσφατο παράδειγμα την Alfa Romeo Giulietta/Mito TCT, το Ford S-MAX κ.α. Υπάρχουν δύο τύποι κιβωτίων διπλού συμπλέκτη, με υγρό ή ξηρό (συμπλέκτη). Περισσότερες πληροφορίες θα βρείτε στο σχετικό άρθρο για το DSG της VW καθώς και για το TCT της Alfa Romeo ενώ σήμερα το χρησιμοποιούν πολλές εταιρίες, όπως η Renault (διπλανό σχέδιο).
Πλεονεκτήματα: τάχιστες αλλαγές σχέσεων, ομαλό στη λειτουργία του, μειωμένη κατανάλωση, προστασία συμπλέκτη
Μειονεκτήματα: πολύπλοκη κατασκευή, αξιοπιστία ηλεκτρονικής διαχείρισης;
Παραδείγματα: [VW Group, Nissan GT-R (Borg Warner)], [Ford Focus, S-MAX – Volvo S60, BMW M-DCT, Mercedes-Benz SLS AMG, Ferrari California, Mitsubishi Lancer Evo X (Getrag)], [Fiat Auto (Magneti Marelli)], Porsche 911 (ZF), Bugatti Veyron (Ricardo) κ.α.

Αυτόματα κιβώτια (κλασικά)
Tην μεταφορά της κίνησης αναλαμβάνει ο υδραυλικός μετατροπέας ροπής που λειτουργεί σαν συμπλέκτης μεταφέροντας την ισχύ από τον κινητήρα στο κιβώτιο. Βασικό μέρος αποτελεί η αντλία παροχής υδραυλικού υγρού ATF (Automatic Transmission Fluid), το πλανητικό σύστημα μετάδοσης, οι μηχανισμοί σύμπλεξης και η μονάδα ηλεκτρονικής διαχείρισης.
Σε αντίθεση με το μηχανικό κιβώτιο στα αυτόματα δεν χρησιμοποιούνται ζεύγη γραναζιών ανάμεσα σε δύο άξονες αλλά πλανητικές διατάξεις (συνήθως 2-3) που συνδυάζονται μεταξύ direct_coupling
τους και έτσι προκύπτει η σχέση μετάδοσης ανάμεσα στον στροφαλοφόρο και την έξοδο προς το διαφορικό. Η διαμόρφωση του συνδυασμού πραγματοποιείται με την ταινιοπέδη, κάτι σαν «φρένο» που ενεργοποιείται υδραυλικά και ρυθμίζει την θέση των διατάξεων. Σχεδόν κάθε σύγχρονο κιβώτιο διαθέτει και «σειραϊκή» λειτουργία (επιτρέπει χειροκίνητη μόνο διαδοχική αλλαγή σχέσεων) ενώ υπάρχουν διάφορα προγράμματα ανάλογα με τις συνθήκες κίνησης (comfort, sport, economy κ.α.).
Πλεονεκτήματα: αυτόματη αλλαγή σχέσεων, αξιοπιστία, απουσία δίσκων και υπερθέρμανσης
Μειονεκτήματα: αυξημένη κατανάλωση και βάρος, ογκώδες σε διαστάσεις
Παραδείγματα: Κάθε αυτόματη έκδοση με μετατροπέα ροπής

Πλανητικό σύστημα Ravigneaux
Ένα απλό πλανητικό σύστημα αποτελείται από α) μια στεφάνη (κορώνα) με εσωτερική οδόντωση που ανάλογα με την διάταξη μπορεί να περιστρέφεται ή να μένει σταθερή, β) ένα κεντρικό γρανάζι (πινιόν) που αποκαλείται ήλιος, και γ) δύο ή περισσότερα σετ γραναζιών (πλανήτες) που περιστρέφονται σε μικρούς άξονες και εμπλέκονται μεταξύ της στεφάνης και του ήλιου. Οι μικροί άξονες εμπλέκονται στον φορέα των πλανητών. Ο άξονας του φορέα είναι ομοαξονικά τοποθετημένος με τον άξονα του ήλιου. Και οι δύο άξονες έρχονται σε επαφή με την στεφάνη. Ένα πλανητικό σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν υποπολλαπλασιαστής ή πολλαπλασιαστής στροφών σε αυτόματα υδραυλικά κιβώτια με μετατροπέα ροπής ή σε κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων CVT.
To πλανητικό σύστημα Ravigneaux περιλαμβάνει δύο ήλιους (ένα μικρότερο και ένα μεγαλύτερο) και ένα μονό φορέα που εμπλέκεται με δύο σετ πλανητών (ένα εσωτερικό, ένα εξωτερικό). Ο φορέας μπορεί να είναι μονός αλλά έχει να παντρέψει δύο σχέσεις μετάδοσης, των εσωτερικών και εξωτερικών πλανήτων, τα οποία μπορεί να κινούνται ανεξάρτητα αλλά πάντοτε με συγκεκριμένη σχέση μετάδοσης καθώς κάθε κίνηση του ενός γραναζιού συνυπολογίζεται στο άλλο και το αντίστροφο. Τα ζεύγη των εσωτερικών πλανήτων εμπλέκονται με τον μικρό ήλιο και των εξωτερικών με τον μεγάλο ήλιο. Η στεφάνη εμπλέκεται με τα εξωτερικά ζεύγη πλανητών.

Κιβώτια τύπου CVT
Εδώ υπάρχει αναλυτικό άρθρο για τα κιβώτια συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων (Continuously Variable Transmission). Πρόκειται για κιβώτια τα οποία δεν απαρτίζονται από γρανάζια αλλά από ένα σύστημα ιμάντα με δύο τροχαλίες. Στα υβριδικά είθισται να χρησιμοποιείται CVT με πλανητική συναρμογή ώστε να συνδυάζεται η κίνηση της ΜΕΚ με τον ηλεκτροκινητήρα.
Πλεονέκτημα: απλό στην κατασκευή, ευνοϊκό στη κατανάλωση, ομαλή αλλαγή σχέσεων, κόστος, κόμπακτ σε διαστάσεις
Μειονέκτημα: φαινόμενο πατιναρίσματος, όχι τόσο γρήγορο, περιορισμένη μεταφορά ισχύος ως προς το όριο
Παραδείγματα: Toyota Prius, Honda Jazz, Audi Multitronic, Nissan κ.α.

Πηγή: https://www.caroto.gr/2009/02/13/%ce%ba%ce%b9%ce%b2%cf%8e%cf%84%ce%b9%ce%bf-%cf%84%ce%b1%cf%87%cf%85%cf%84%ce%ae%cf%84%cf%89%ce%bd/ & https://www.caroto.gr/2012/03/21/transmission-and-gearbox/