L.M.J- Fræðsluefni

Leó M. Jónsson vélatæknifræðingur.

Drifbúnaður jeppa: Sjálfvirkt millidrif.
Borg-Warner Automatic 4WD (TOD = Torque On Demand)

Til einföldunar verður Ford Explorer notaður sem tilvísun þótt þetta sama millidrif frá Borg-Warner sé í fleiri fjórhjóladrifnum bílum, bæði frá Ford og öðrum framleiðendum, bæði í jeppum, jepplingum og sumum fólksbílum.

Hjá Borg-Warner nefnist þetta sjálfvirka millidrif 44-05-TOD en hjá Ford Control Track. Það þekkist á því að í mælaborði er takki til að velja á milli 4WD High, 4WD Auto og 4WD Low.
Þegar valið er 2WD er bílnum ekið í afturhjóladrifi. Sé valið 4WD Auto tengir millidrifið framdrifið sjálfvirkt þegar tölvustýring metur þörf fyrir aukið veggrip (t.d. við það að afturhjól spólar, inngjöf snögglega aukin eða bíllinn að missa rásfestu. Skipta má á milli 4WD High og 4WD Auto á ferð, t.d. þegar bílstjóri telur þörf á auknu veggripi/öryggi. Sé valið 4WD Low, en þá þarf að stöðva bílinn, setja í hlutlausan og standa á bremsunni, fer millidrifið í lágt drif og læsir átaki á milli fram- og afturhjóla 50/50.

Stærsti kostur TOD-millidrifs er aukið öryggi án þeirra auknu eyðslu sem sítengt fjórhjóladrif hefur í för með sér. Í stað þess að hafa bílinn ávallt með drifi á öllum hjólum er tengist fjórhjóladrifið sjálfvirkt í þeim tilfellum sem aðstæður, aksturslag eða undirlag skapar hættu sem minnka má með auknu veggripi. Önnur sívirk eða biðvirk öryggiskerfi vinna með TOD-millidrifinu svo sem ABS, spólvörn og stöðugleikakerfi (skrikvörn).

Annar stór kostur er að TOD-millidrifið er mun léttara en hefðbundið millidrif með sítengingu. Tvær ástæður eru fyrir því: Í stað mismunardrifs með handvirkri læsingu í millidrifi (eins og í Quadratrac og eldri Range Rover) eða í stað tölvustýrðrar seigkúplingar (eins og í nýrri Range Rover, Porsche Cayenne o.fl.) er TOD-millidrifið með léttari og einfaldari búnað sem er tölvustýrð rafknúin og læsanleg kónísk kúpling. Í hefðbundnum millidrifum er niðurgírun í lágt drif með venjulegum tannhjólum en í TOD-millidrifinu er gírað niður með einfaldari og léttari sólargír.

Algengur misskilningur
Bandaríkin eru stærsti bílamarkaður veraldar og hvergi eru fleiri sportjeppar (SUV) í notkun. Stór hluti sportjeppa á borð við Ford Explorer, Chevrolet Blazer o.fl. eru einungis með drif á afturhjólunum. Sportjeppar eru fyrst og fremst keyptir vegna útlits/ímyndar, rýmis og öryggis (raunverulegs eða ímyndaðs). Þegar Ameríkani velur fjórhjóladrif er það oft vegna þess að hann býr þar sem eru snjóþungir vetur eða að hann notar bílinn til að draga bát á kerru og þarf lágt drif til að setja bátinn og ná honum upp. Ameríkanar sem stunda skotveiði og fjallaferðir fara til þess á fjórhjóladrifnum pallbílum. Að lágt drif skuli vera í Explorer og fleiri sportjeppum (til heimabrúks) þýðir ekki að þeir bílar séu ætlaðir jafnframt fyrir vegleysur eða fjallaferðir og heldur ekki að þeir séu hentugir til breytinga í fjallabíl. Fjórhjóladrifið er ekki til að auka torfærugetu sportjeppa heldur til að auka stöðugleika og öryggi í venjulegum akstri með auknu veggripi.

TOD-bilanakóðar, orsakir bilunar og nauðsynlegar aðgerðir. TOD-lesara má fá á Netinu af mismunandi gerðum og á mismunandi verði.

Sjálfvirka stillingin
Sérstök tölva stýrir diskakúplingu á milli aftur- og fram-úttaka millidrifsins. Tölvan, sem er oftast undir farþegastólnum, nefnist ýmist GEM (Generic Electronic Module) eða TOD. Þegar ekið er af stað með millidrifið stillt á 4WD Auto er straumur á rafsegulvirkri diskakúplingunni í millidrifinu sem tengir og læsir úttaki framdrifs. Sé veggrip afturhjóla eðlilegt losar tölvan læsinguna þannig að úttak til framdrifsins fer í viðbragðsstöðu, þ.e. það snýst með lágmarkssnúningi. Þegar þörf skapast fyrir fjórhjóladrif tengir tölvan framskaftið með millikúplingunni og jafnframt sogvirkar framdrifslokur. Viðbragðsstaðan (hægur snúningur framskaftsins) gerir tenginguna mjúka og hnökralausa. Í viðbragðsstöðu vinnur kúplingin með lágmarksfasa (minimum duty cycle) sem er 4%, þ.e. minnstu púlsbreidd stýristraums. Viðbragðsstaða helst sé of lítill mismunur á snúningshraða fram- og afturhjóla í beygjum, í venjulegum akstri og innan ákveðinna marka varðandi inngjöf og hraða. Aukist mismunurinn umfram mörkin grípur tölvan inn í og breytir stöðu millikúplingarinnar. Í viðbragðsstöðu hagar bíllinn sér eins og hann væri einungis með drif á afturhjólunum.

Við úttök millidrifsins eru skynjarar fremst og aftast. Sá aftari nemur snúningshraða afturúttaksins (og stjórnar hraðamælinum) og sá fremri framúttaksins. GEM-tölvan notar breytur frá þessum skynjurum til reikna út þörf fyrir fjórhjóladrif. Greini tölvan mismun á snúningshraða fram- og afturhjóla umfram ákveðin forrituð mörk (spól eða hliðarskrið) breytir hún straumfasanum á millikúplingunni úr 4% og í allt að 98% - eftir því hve mikið þarf til að tryggja stöðugleika bílsins. Þegar tölvan reiknar aftur jafnan snúningshraða fram- og afturhjóla setur hún millikúplinguna í viðbragðsstöðu á ný (4%).

Læst fjórhjóladrif í háa
Bílstjóri getur valið 4WD High, t.d. þegar fara á upp brekku í hálku, en það getur hann gert á fullri ferð með því að snúa takkanum frá 4WD Auto á 4WD High. Í þessari stillingu læsir millikúplingin (98% fasi) úttökum þannig að aflmiðlun verður jöfn (50/50) á milli fram- og afturhjóla.

Læst fjórhjóladrif í lága
Til að þessi stilling verði virk þarf handskipting/sjálfskipting að vera í hlutlausum, standa þarf á bremsunni og hraði bílsins verður að vera innan við 5 km/klst. Sé þessum skilyrðum fullnægt tengir GEM-tölvan lága drifið og læsir (98% fasi) úttökum millidrifsins fyrir jafna aflmiðlun (50/50) til fram- og afturhjóla. Lága drifið er tengt með rafmótor sem snýr kambi í millidrifinu. Kamburinn færir til gaffal þannig að ysti hringur sólargírsins tengist drifásnum og niðurgírun verður 2,48 : 1. Þessi drifstilling er einungis ætluð fyrir torfæruakstur en ekki fyrir akstur á hörðu eða bundnu undirlagi.

Tölvustýringin og rafbúnaður
GEM-tölvan (Generic Electronic Module, TOD-tölva í sumum bílum) stjórnar 44-05-millidrifinu. Eins og áður er nefnt getur bílstjórinn valið á milli 3ja drifstillinga með takka. Skynjari (VSS = Vehicle Speed Sensor) er við afturúttak millidrifsins. Hann sendir GEM-tölvunni boð um snúningshraða afturhjólanna, þ.e. um hraða bílsins. Honum til viðbótar eru 2 skynjarar, annar við framúttak og hinn við afturúttak, sem mæla snúningshraða og sem tölvan ber saman og notar breytuna til að stýra millikúplingunni (straumfasanum) þegar sjálfvirka fjórhjóladrifið er virkt.

Áföst rafknúna skiptimótornum er plata með snertlum sem nemur við skiptikambinn og gefur GEM-tölvunni til kynna hver stilling millidrifsins er (háa/lága). Stöðunemi (DTR = Digital Transmission Range) gefur GEM-tölvunni til kynna þegar (gír)skipting er í hlutlausum (N).

4x4 straumlokueining (4x4 shift motor relay) er 2 straumlokur saman sem GEM-tölvan beitir til að stjórna skiptimótornum.

GEM-tölvan notar sérstaka straumloku til að stjórna rafeindastýribúnaði millikúplingarinnar (Solid-state Clutch Relay).

Borg-Warner TOD-millidrifið með sjálfvirku fjórhjóladrifi er einfaldara og léttara en önnur millidrif. Sjálfvirka fjórhjóladrifið sparar eldsneyti án þess að rýra meðvirkt öryggi. Myndin sýnir gerð 44-05 eins og er m.a. í Ford Explorer.

Athugasemd 1: Þetta drifkerfi aðlagar sig að aksturslagi viðkomandi bílstjóra og geymir í minni tölvu. Sé rafgeymir aftengdur glatast aðlögunin (forritið) úr minni tölvunnar og getur þurft 15-20 km akstur til að kerfið vinni eðlilega (læri) á ný. Þetta er nauðsynlegt að vita til að girða fyrir leiðindi vegna kvartana, annað hvort með upplýsingum eða með því að prófa bílinn fyrir afhendingu.

Athugasemd 2: Aftengið ekki GEM-tölvuna, t.d. vegna viðgerðar (gera má við tölvuna erlendis), nema aftengja rafgeyminn fyrst. Sé GEM-tölvan aftengd með rafgeyminn tengdan getur hún skráð falska bilanakóða í minni þannig að eðlileg bilanagreining verður erfiðari og ótryggari.

Athugasemd 3: GEM-tölvan er forrituð með bilanagreini/lesara. Slá þarf inn gerð bíls, gírbúnað, drifhlutfall (3) og dekkjastærð (3) við upphaflega forritun. Síðari 2 liðirnir eru með fyrirfram gefnum 3 breytum og er sú valin sem við á. Sé drifhlutfall og/eða dekkjastærð ekki ein þessara gefnu breyta getur það valdið truflunum í sjálfvirka fjórhjóladrifinu, jafnvel skemmdum séu frávik mikil.

Sjálfvirka millikúplingin
Sjálfvirka TOD-millikúplingin, sem kom fyrst 1995, er að mörgu leyti merkileg hönnun. Ólíkt því sem tíðkast hafði fram að þeim tíma er hún hvorki diskakúpling né glussaknúin heldur allt önnur hönnun og rafknúin, - mekanísk læsing knúin með rafsegulvirku kefli. Þegar keflið (snerilmótorinn) hefur verið losaður af kúplingunni kemur í ljós drifplata með þremur kúlum. Platan eða kúluplanið er sérstaklega formað þannig að því lengri straumfasa sem beitt er á snerilmótorinn því ofar á kúluplanið færast kúlurnar og þar sem þær staðnæmast (púlsbreiddin) læsa þær drifplötunni og þar með kúplingunni. Þegar tölvan styttir straumfasann færast kúlurnar aftur neðar á kúluplanið, stöðvast og drifplatan losnar úr læsingunni. Straumfasinn er með mjög lága tíðni í viðbragðsstöðu en mjög eða háa, allt að 10 sinnum á sekúndu, við fulla læsingu.

Hér hefur snerilmótorinn verið fjarlægður af kúplingunni. Kúluplanið er þannig formað að þegar GEM-tölvan hleypir straumpúls á mótorinn færast kúlurnar ofar, því ofar sem straumpúlsinn er breiðari, og því ofar sem þær fara því meiri verður læsingin - frá 4% í viðbragðsstöðu og upp í 98% við fulla læsingu.

Það sem oftast gefur sig í þessu millidrifi er kúluplanið og kúlurnar sem svo rústa millidrifinu öllu. Of stór dekk, eða of belgmikil, sem ná að fletjast út t.d. vegna mismunandi þrýstings, en þá getur orðið talsverður munur á þvermáli hjóla á sömu hásingu og á milli hásinga, geta eyðilagt sjálfvirku kúplinguna. Brakhljóð og smellir í drifbúnaðinum stafa af innri spennu sem veldur ótímabæru sliti á kúlunum og kúluplaninu, jafnvel broti. Sé sjáanlegt slit eða aflögun á drifplötunni, kúluplaninu eða kúlunum er endurnýjunar eða lagfæringar þörf. Sé kúluplanið skoðað nákvæmlega sést að það er örlítið kónískt - því hallar innávið þannig að kúlurnar taka fyrst á jöðrunum þegar mótor kúplingarinnar er beitt. Sé gert við yfirborð kúluplansins þarf að gæta þess að þessi halli breytist ekki. Þess eru dæmi að sett hafi verið eitt sterkara aftara drifskaft í stað tvískipts með miðupphengju eða í stað eins drifskafts úr álblönduðu stáli (Explorer). Sé heilt afturdrifskaft of þungt getur það eyðilagt millidrifið á tiltölulega stuttum tíma.

Með þessari grein er birt skrá á ensku yfir bilanakóða, þýðingu þeirra og hvað skuli gera í hverju tilfelli. Lesara fyrir Borg-Warner GEM (TOD) má fá af mismunandi gerð og á mismunandi verði á Netinu. Engu að síður kemur ekkert í stað handbókar (Borg-Warner TOD Manual, 84 bls.) sem einnig má kaupa á Netinu.

Önnur kerfi - breytingar?
Í flestum jeppum sem nota sjálfvirka TOD-millidrifið er samþættaður tölvubúnaður, mismunandi mikill eftir gerð og búnaði bíls. ABS-læsivörn getur verið hluti af stýribreytum, einnig stýranleg mismunardrifslæsing (ADB = Automatic Braking Differential) og stöðugleikakerfi með skrik- og veltivörn (ESP + ARP = Electronic Stabilization Program + Automatic Roll over Protection). Þessi kerfi mynda, með TOD-kúplingunni, öflugan meðvirkan öryggisbúnað. Það gefur augaleið að inngrip með breytingum á jeppa með TOD og öðrum öryggisbúnaði geta haft ófyrirsjáanlegar afleiðingar.

Heimildir:
Leó M. Jónsson: Tækninámskeið. Drifbúnaður jeppa, úr námshefti frá 2005.
Mike Wolnberg,
contributing editor, Transmission Digest. February 1997. Torque On Demand. A New Design Level in Borg- Warner Transfer Cases.

Til baka á aðalsíðu

Netfang höfundar