9789151108261 by Smakprov Media AB

Personbilsteknik

Motor och kraftöverföring Avd. 2, 4

Andra upplagan

Motor och kraftöverföring – Avd. 2, 4

Teknikutvecklingen inom fordonsbranschen går snabbt. Det innebär att en bra grundutbildning är en mycket viktig faktor för att framgångsrikt kunna arbeta och utvecklas som fordonstekniker. PbT-serien förklarar teoretisk basfakta och principer, och beskriver hur modern teknik tillämpas i bilens olika system. Innehållet speglar den senaste personbilstekniken.

Sven Larsson Anders Ohlsson

Motor- och transmissionsteknik utvecklas ständigt, inte minst med el- och hybridteknik, för att möta krav och önskemål om lägre bränsleförbrukning och lägre avgasemissioner. Tekniker idag måste ha goda baskunskaper om ny teknik, men samtidigt får inte förståelsen för de rent mekaniska funktionerna brista. PbT Motor och kraftöverföring, 2:a uppl. ger både en bred introduktion av och detaljkunskaper i modern motor- och transmissionsteknik. I andra upplagan har kapitel 10 om el- och hybridteknik skrivits om, utökats och uppdaterats efter den senaste teknikutvecklingen på området. Även övriga kapitel har uppdaterats och boken har utökats med mer fakta om t.ex. alternativa bränslen och kylsystem. PbT Motor och kraftöverföring, 2:a uppl. kan användas för flera av kurserna på fordons- och transportprogrammets inriktning Personbil, inte minst för kurserna Personbilar – basteknik, Personbilar – service och underhåll 1, Personbilar – förbränningsmotorer, Personbilar – kraftöverföring, El- och hybridfordon 1 och 2 samt Flerbränslefordon. Övriga faktaböcker i serien är: • PbT Elsystem, komponenter och nätverksteknik, 2:a upplagan • PbT Bromsar, kaross och chassi, 2:a upplagan • PbT Verkstad, säkerhet och service

ISBN 9789151108261

9 789151 108261

51108261.2.1_Omslag_2022.indd 1

2022-06-14 13:15

Innehåll 1 Förbränningsmotorn

Atkinson-motorn Wankelmotorn Motorns funktion Konstruktion och tekniska begrepp

8 8 9 10

Fyrtaktsprincipen

Värmeenergi blir mekaniskt arbete Kraften på kolvtoppen Fyrtakts bensinmotor Fyrtakts dieselmotor

Motortekniska termer och data Cylinderdiameter och slaglängd Slagvolym Cylindervolym Kompressionsvolym Kompressionsförhållande Kompressionstryck Arbetstryck Lång- och kortslagig motor Fyllnadsgrad Verkningsgrad

10 10 11 13

15 15 16 16 16 17 17 18 19 20

Ventiltider

Motoreffekt

Variabla ventiltider Bromsad effekt Effektberäkning Drivhjulseffekt Effektenheterna kW och hp Skillnader mellan bensin- och dieselmotorn

Motorstyrsystem

Styrsystem Vad styrenheten ”förutsätter” Adaptiva system

2 Motorkropp

21 21 22 23 24 25

Kamaxeltransmission Kedjedrift Kuggremsdrift Kamremsbyte

51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 3

Drivning av balansaxlar

3 Smörjsystem

54 56

Kylning av oljan Smörjprinciper

57 58

Smörjning av glidlager Kolvkylning Oljepumpar

58 59 60

Oljefilter

Trycksmörjning Stänksmörjning

Pump med varierbart deplacement Tryckbegränsning Oljetryckskontroll Tryckvakt

Nivåkontroll Nivåmätning utan mätsticka

4 Bränslesystem

58 58

60 61 62 62

63 64

73 74

44 44 45

Aktuatorer i bensinmotorers bränslesystem

Korrigering av bränslemängden

35 35 36 37 37 37 38

39 39 40

Ventilrenovering med Mirafräs

Motorstyrsystem bensinmotorer Sensorer i bensinmotorers bränslesystem

Variabel ventillyfthöjd

Renovering av ventilsystemet

Balansaxlar

33 33

Audi AVS BMW Valvetronic Ventilsystem utan kamaxlar

Vridsvängningar

Bensinmotorns bränslesystem

30 31

Variabla ventiltider

Principen för variabla ventiltider Två olika konstruktioner för variabel ventiltid Atkinson-principen

Svänghjulet

51 51 52 52

Manuell justering av ventilspel Automatisk ventilspelsjustering Kylning av ventilerna Tätning mot ventilsätet Oljetätning En eller två överliggande kamaxlar Demontering och montering av kamaxlar

Ellipsformad kolvrörelse Kolvtappens placering Märkning av komponenterna Kompressions- och oljeskrapringar

47 47 48 48 49

Gemensamma komponenter

Kompressionsprov Ventilsystemet

Kolvar och kolvringar

Radialtätningsringar Vevhusventilation Balansering av vevaxeln Symmetriska kraftpulser Lagringar i vevrörelsen

26 27 28

Dynamiskt kompressionsprov Kompressionstest utan instrument

46 47

Bränslelära

Cylinderhuvud

Cylinderhuvudpackning Montering av cylinderhuvud

Cylinderblock Vevrörelsen

41 41 43

Klassificering E85 Inblandning i diesel Energitäthet Svavelhalt Utspädning Paraffinutfällning Bensin och alkohol i dieselbränsle Bly Bränsletank Bränslepump Bränslefilter Tryckregulator Luftfilter

Blandningsmetoder Indirekt och direkt insprutning

Vinkelläge och varvtal Syremätning i inloppsröret Luftflödessensor, luftmassmätare Motortemperatur Gasspjällets öppningsvinkel Spjällägessensor Syresensor i avgassystemet Knacksensor Tryckmätning Insprutare

Kall motor

65 65 66 66 66 66 66 66 66 67 68 69 70 70

71 72

74 75 75 76 76 77 77 78 78

79 80

2022-06-14 11:00

Start Acceleration Fullgas Motorbroms

81 81 81 81

Indirekt insprutning

Direktinsprutning bensinmotorer

Bosch PFI

Lågtrycks- och högtryckssystem Styrning av förbränningen Exempel på ett direktinsprutningssystem

Bränslesystem för gasdrift Bränslesystem för CNG Högtryck Övergångsdel Lågtrycksdel

82 83 83 85

86 87 88 89

Power Pulse Smörjning och kylning av turbokompressorer Framtidens turbo? Vevaxeldriven kompressor Kombination av kompressortyper Fyra olika lägen för överladdning

6 Avgassystem och avgasrening

124

Avgasrening bensinmotorer

127

132

Lagkrav Kolmonoxid, CO Kolväten, HC Kväveoxider, NOX Partiklar Koldioxid, CO2 Syre, O2

91 91 93

Gasmätning Avgasåterföring, EGR Katalysatorn Syresensor, lambdasond

Bränslesystem

Avgasrening dieselmotorer

Gemensamma komponenter i bränslesystemet

Dieselmotor och gasdrift

Matarsystemet Bränslefilter och vattenavskiljare Insprutningspump Insprutare

Motorstyrsystem dieselmotorer Insprutningssystem med common rail Exemplet i-ART Insprutningsförlopp common rail Utveckling av insprutare för common rail Returläckage från insprutarna

95 95 95 96

97 98

98 99

100 101

Insprutningssystem med fördelarpump

102

Insprutningssystem med pumpinsprutare

104

EDC-reglerad fördelarpump Högtryckspump

Bränsleförsörjningssystemet Insprutningsförlopp

5 Inloppssystem Fyllnadsgrad

Fyllnadsgraden gör skillnad Ventiltider Omställbart inloppsrör Virvelspjäll Tumblespjäll Luftförvärmning Avgasåterledning, EGR Bränsleavdunstningssystem, EVAP Trimning av motorer

Överladdning Miller-cykel

102 103

105 105

106 106

107 108 108 109 109 110 110 110 110

111

112

Turbodriven kompressor

112

Dubbla turbokompressorer

114

Vidareutveckling av turbokompressorn

115

Reglering av laddtrycket

113

Exempel på ett system med dubbla kompressorer 114

Högt motorvarvtal Lågt motorvarv Så här kan det se ut i verkligheten

51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 4

116 116 116

123

Ämnen i avgaserna

Dieselmotorns förbränningsrum

Dieselmotorer med indirekt insprutning Dieselmotorer med direktinsprutning Glödningssystem

121

123

Byte av avgassystem

90 90 90 90

118 118 119 120

Avgassystemet

Dieselmotorns bränslesystem

Antändningen av dieselbränslet Inget tändsystem Inget gasspjäll Verkningsgrad

117

Avgasåterföring, EGR Oxidationskatalysatorn Partikelfilter SCR-system

7 Kylsystem

124 124 125 125 125 126 126 126

127 129 129 130 132 133 133 135

137

Rätt arbetstemperatur Kupévärme Kylsystemets funktion Kylvätskepump

137 137 138 139

Termostat

140

Kylare

142

Kupéelement Kylfläkt Utveckling av kylsystemet Kylvätska

144 144 145 146

Reparationer och läckagekontroll

147

Så var det förr

148

Elektrisk kylvätskepump

Vaxtermostat Termostat med vridspjäll Expansion och kokpunkt System med trycksatt expansionskärl System med trycklöst expansionskärl

Isens sprängkraft Köldskydd Blandning och fryspunkt Kontroll av frostskyddet

Provtryckning Reparationer Tips vid byte av kylvätska

8 Tändsystem för bensinmotorer

139

140 141 142 143 143

146 146 147 147 147 147 148

149

Förbränningslära

150

Styrsystem och komponenter i tändsystem Sensorer i tändsystem

150 151

Antändningen Förbränningshastighet

Läges- och varvtalssensorer Knacksensor Luftflödessensor Temperatursensor Spjällägessensor

150 150

151 151 152 152 152

2022-06-14 11:00

Aktuatorer i tändsystem

Tändspole Tändstift Störningar från tändsystemet

153

153 154 155

Tändning vid rätt tillfälle

156

Knackning, spikning

158

Så här var det förr

160

Tändstift som ”felsökningsverktyg”

161

När är rätt tändläge? Högre varvtal, tidig tändning Högre belastning, senare tändning Effekterna av knack Olika typer av knack Några möjliga orsaker till knack Hur motverkas knack?

Tändkablar Led alltid tändpulsen till gods

9 ordonsbränslen och miljö Avgasemissioner

Kolmonoxid, CO Kolväten, HC Kväveoxider, NOX Partiklar, PM Koldioxid, CO2

156 157 157 158 158 159 159

160 161

162 162

162 162 162 162 163

Från källa till hjul

163

Fossila bränslen

165

Well-to-Tank Tank-to-Wheel Well-to-Wheel

Bensin och diesel Fordonsgas, CNG Motorgas, LPG Tankning av gas

Alternativa drivmedel

Diesel- och bensinmotorer Etanol Fordonsgas Biodiesel Vätgas

164 164 164 165 165 166 166

166

167 167 169 170 172

Miljöpåverkan av olika bränslen

173

Åtgärder för att minska emissioner

174

Dieselbilarnas problem Koldioxidutsläpp

Ekonomiska styrmedel Tester inför typgodkännande WLTP för laddhybrider RDE-test CO2-märkning av bilar Miljözoner

10 El- och hybridteknik Introduktion och terminologi El- och elhybridbilar indelade efter spänningsnivåer Olika typer av elhybridteknik Microhybrid Mildhybrid Fullhybrid Tre olika varianter av fullhybrider Laddhybrid Effekt, verkningsgrad och miljö

Funktioner i HV-system

Högvoltssystem är tvåledarsystem Ombordladdare, OBC Inverter Isolationsövervakning och isolationsprovning av HV-system

51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 5

173 174 174 175 177 177 178 178

179 179 180 181

181 182 183 184 185 186

187

188 188 188 189

Converter

192

Elmaskiner

192

Batterier för eldrift

198

Tekniker för laddning

205

Bränsleceller

213

Trefas elmaskin Växelriktning Varvtal och vridmoment Resolver Elmaskinens placering Kombinerad generator, startmotor och drivmotor Litiumbaserade batterier Batterikapacitet och energiinnehåll Verkningsgrad SoC SoH Balansering av laddning och urladdning Energitäthet Livslängd Räckvidd Efterladdning av 12-voltsbatteriet Kyl- och värmesystem

Terminologi Laddutrustning och metod Laddning av högvoltsbatterier Så här fungerar en bränslecell Kraftöverföring och differential Kyl- och värmesystem Bogsering av elhybridfordon Yttre ljud från elbilar Multifuel-teknik

11 Kraftöverföring – Introduktion

193 194 194 196 197 198 200 200 201 201 202 202 204 204 205 205 205

206 206 208 213 214 214 215 215 215

216

Motorns placering

216

Drivhjul Huvudkomponenter i kraftöverföringen

217 218

Utväxlingsförhållande

219

Beräkning av utväxlingsförhållande

223

Förluster i kraftöverföringen

225

Mäta drivhjulseffekt och vridmoment

226

Verkningsgrad

228

Motorn fram, rakt monterad motor Motorn fram, tvärmonterad motor

Koppling Växellåda Slutväxel Differential Drivaxlar och drivknutar

Varvtal och vridmoment Hur utväxlingsförhållande skrivs Varför behöver utväxlingsförhållandet ändras? Total utväxling

Tre typer av förluster Ungefärliga värden för förluster Mätmetoder

12 Koppling

217 217

218 218 218 218 218 219 220 221 224 225 226 227

229

Friktion, en förutsättning för kopplingen

229

Enkel torrlamellkoppling

230

Manövrering

231

Uppsläppt kopplingspedal Kopplingspedalen trycks ner Svänghjul Kopplingslamell Tryckplatta Solfjäder Urkopplingslager Luftning

229 229 230 230 230 230 230 231

2022-06-14 11:00

Kraftutväxling Hjälpfjäder vid pedalen Centralt placerad slavcylinder

In- och urkoppling

Kopplingsspel Automatisk justering Manuell justering Torrlamellkopplingen är känslig för slitage och olja Kontroll av kopplingens funktion Asbestdamm

232 233 233

234

234 235 235 236 236 236

Våt dubbelkoppling Torr dubbelkoppling Elmotordriven hydraulik

237 237 238

Dubbelmassesvänghjul

239

13 Manuell växellåda

241

Semi-automatisk koppling E-koppling, clutch by wire Koppling utan pedal

238 239 239

Växlingsrobot

273

CVT-växellådor

273

Spakställ och rattreglage

276

Smörjning av automatlådor

277

CVT med dubbellamellkoppling CVT med momentomvandlare och AWD Sekventiell växling

Kylning av oljan Byte av ATF-olja utan spolmaskin Byte av ATF-olja med spolmaskin Nivåkontroll Bogsering

15 Fyrhjulsdrift

275 275 276 277 278 278 278 278

279

Svårigheter med AWD Fördelar med fyrhjulsdrift Drivkraft och sidokrafter

279 280 280

Fördelning av vridmoment mellan fram- och bakaxel

282

Friktionskraft

280

Namn på delar i växellådor Icke förskjutbara kugghjul

242 242

Synkronisering Växlingsmekanism

243 244

Haldexkoppling

284

Förenklade växellådor

246

Kortare växellådor Växellådor för framhjulsdrift

249 249

Vridmomentsfördelning utan differential Fördelningsdifferential Torsendifferentialen

289 289 289

Viskokoppling

291

AWD kombinerad med eldrift

292

16 Slutväxel och differential

293

Snedskurna kugghjul med ständigt ingrepp

Med växelstång Med växelvajrar Två växlar samtidigt får inte hända! Förenklad tvåväxlad låda Förenklad fyrväxlad låda

Växellåda med två parallella axlar Växellåda med två utgående axlar

Smörjning i växellådor

Oljor i manuella växellådor Axeltätning

242

244 245 245 246 247

249 251

251

252 252

14 Automatisk växellåda

254

Styrning och manövrering Konventionell automatlåda

254 255

Några typiska egenskaper Tre huvudkomponenter

255 256

Momentomvandlaren

257

Frihjul

260

Planetväxlar

261

Pump, turbin och stator Lock-up-funktionen Frihjulsnav med rullar Frihjulsnav med spärrelement Vridmomentets väg Uttag av vridmoment Växlingselement

Utväxlingsmöjligheter i en planetväxel Vridmomentet in på solhjulet Vridmomentet in på planethjulshållaren

Automatlådor med flera planetväxlar Automatlåda med dubbel planetväxel Automatlåda med tre planetväxlar Lepelletier-växellådan

Nioväxlad automatlåda Automatiserad manuell växellåda Dubbla friktionskopplingar Växling med kopplingshylsor DSG från VW Sjuväxlad DSG-växellåda

51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 6

257 259 260 261 262 262 262

263

263 264

265

265 266 267

267 268

268 268 269 273

Manuell inkoppling Automatisk inkoppling Permanent AWD

Grundfunktion Haldex, generation 1 och 2 Haldex, generation 3 och 4 Haldex, generation 5

Funktionsprincipen

Viskositeten styr funktionen

282 282 282 284 285 287 287

290 292

Slutväxel

293

Differential

295

Lagerspel – Förspänning Hypoidolja

301 301

17 Drivaxlar – drivknutar

302

Hypoidslutväxel Symmetrisk slutväxel Cylindrisk slutväxel Körning rakt framåt Körning i kurva Differentialens negativa egenskap Förbättrad differentialfunktion Differentialspärr Minska slirning med hjulbromsarna Minska slirning med lamellbroms Drivkraftstyrd differentialspärr Automatisk differentialspärr för låga hastigheter Sportdifferential

294 295 295 296 296 297 297 298 298 298 299 300 300

Splinesförband Drivknutar

303 303

Drivknutar med konstant vinkelhastighet

306

Lika längd hos drivaxlarna

309

Kardanknut, universalknut Elastisk drivknut

Dubbel-offset-drivknut Tripod-drivknut VL-drivknut Skyddsdamasker

303 305

307 308 308 309

310

2022-06-14 11:00

2 Motorkropp En förbränningsmotor består av många mekaniska komponenter. I detta kapitel beskriver vi de viktigaste delarna, komponenterna, i förbränningsmotorer. Men även de funktionerna som gör att motorer kan omvandla energin i ett bränsle till det vridmoment som via kraftöverföringen driver bilen. Det vi oftast menar med ”motorkropp” eller motorkroppens huvuddelar är: • • • •

Cylinderhuvudet med kamaxlar och ventiler. Cylinderblocket, motorblocket, med cylindrarna. Vevrörelsen med vevaxel, vevstakar, kolvar och svänghjul. Oljetråg. Ventilkåpa Valve cover Kamaxel Camshaft

Cylinderhuvud Cylinder head

Cylinderblock Cylinder block

Svänghjul Flywheel

Vevaxel Crankshaft

Kolv Piston Vevstake Connecting rod

Oljetråg Oil pan

29 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 29

2022-06-14 11:01

Cylinderhuvud Cylinderhuvudet tillverkas av gjutjärn eller en lättmetallegering. Lättmetall leder värme bättre och är betydligt lättare än gjutjärn, men har också några nackdelar. Lättmetall skadas lättare av mekanisk åverkan eftersom det är mjukare än gjutjärn. Till exempel är risken större att man drar sönder gängor. Ventilsäten och ventilstyrningar i cylinderhuvud av lättmetall måste göras av andra, hårdare, material. Cylinderhuvudet är en komplicerad konstruktion. I cylinderhuvudet ska förbränningsrum, inlopps- och utloppskanaler, ventiler och tändstift få plats. Kanaler där kylvätskan cirkulerar omger de partier som blir varmast. Om kylningen inte fungerar som den ska och motorn blir överhettad skadas lätt delar i cylinderhuvudet. En oljekanal leder smörjolja från motorblocket upp till cylinderhuvudet. Äldre cylinderhuvud kan ha inlopps- och utloppskanaler placerat på samma sida. Men denna konstruktion har ersatts av s.k. Crossflow-lock där bränsleluftblandningen sugs in på Utlopp den ena sidan och avgaserna blåses ut på den andra sidan av cylinderhuvudet. Den här konstruktionen ger en bättre genomströmning. Dessutom gör konstruktionen det möjligt att ha en större area på in- och utloppskanalerna. Tändstiftet kan också placeras på rätt ställe, mitt i förbränningsrummet. Kamaxlar

Kamaxel

Inlopp Cylinderhuvud Kylvätskekanal Cylinderhuvudspackning Förbränningsrum

Kamaxelöverfall Kamaxel Ventiltryckare Ventilfjäder Ventilstyrning

Ventiltallrik

Ventillås Bricka

Ventiltätning

Ventil

Cylinderhuvud

Cylinderhuvudpackning

Arbetstrycket inne i cylindrarna får inte läcka ut och inte läcka mellan cylindrarna. Om trycket läcker tappar motorn effekt. Mellan cylinderblocket och cylinderhuvudet sitter en packning som heter cylinderhuvudpackning. Packningen kallas ibland även topp- eller blockpackning. På engelska heter packningen cylinder head gasket. För att packningen ska kunna täta effektivt måste ytorna på cylinderblockets översida och cylinderhuvudets undersida vara fullständigt plana.

Cylinderhuvudets anläggningsyta mot cylinderblocket måste vara helt plan.

30 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 30

2022-06-14 11:01

Packningens främsta uppgift är att täta så att arbetstrycket inne i cylindrarna inte läcker. Men packningen ska också hindra kylvätska och motorolja att läcka ut ur motorn eller in i cylindrarna. Packningen har hål för cylindrarna och för kyl- och smörjoljekanaler. En demonterad packning ska inte användas igen, den är förbrukad. Innan man monterar en packning är det viktigt att kontrollera att ytorna på cylinderblocket och cylinderhuvudet är rena och oskadade. Börja med att passa in packningen mot cylinderblocket. Ibland måste man styra packningen med ”styrpinnar” i skruvhålen. Kontrollera att rätt sida vänds upp. Ofta är packningen märkt med märkning, ”OBEN”, ”TOP” eller liknande.

Ett exempel på cylinderhuvudpackning.

Montering av cylinderhuvud

Cylinderhuvudet monteras på cylinderblocket med ett antal skruvar. Dessa skruvar ska dras åt med ett noga bestämt åtdragningsmoment och i en bestämd ordningsföljd. Ofta anges i verkstadsinformationen att skruvarna ska vinkeldras med en viss vinkel som avslutning. Momentnyckel heter på engelska torque wrench. Skruvarna dras åt så hårt att materialet i skruvarna når sin sträckgräns därefter är skruvarna förbrukade. Demonterade skruvar ska alltså inte användas igen. Exempelvis kan instruktionen för att dra åt skruvarna se ut så här: • Steg ett 30 Nm; momentnyckel • Steg två 65 Nm; momentnyckel • Vinkeldra 90 grader; gradskiva Om inte skruvarna blir åtdragna i rätt ordning och till rätt åtdragningsmoment kan det resultera i att packningen inte tätar effektivt. Vridmoment 90 Nm Friktion 25 Nm

Klämkraft 2 ton

Friktion 30 Nm Vridmomentet bestämmer hur hårt ytorna i skruvförbandet ”kläms” fast.

Skruvarna ska dras i en bestämd ordning.

Momentnyckel med mekanisk mätfunktion. Bild Bahco.

Momentnyckel med elektronisk mätfunktion. Denna momentnyckel har också funktion för vinkeldragning. Bild Bahco.

Elektronisk momentoch vinkelmätaradapter. Bild Bahco

Mekanisk mätare för vinkeldragning.

31 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 31

2022-06-14 11:01

Kompressionsprov Kompressionstrycket ger en god bild av hur sliten en motor är. Trycket mäts med en tryckmätare. Vanligast är tryckmätare som skriver ett diagram, s.k. kompressionsskrivare. Kompressionsmätare heter på engelska compression gauge, compression tester eller motometer. På en bensinmotor pressar man mätaren i tändstiftshålet med handkraft under mätningen. På en dieselmotor är kompressionstrycket så högt att en adapter måste skruvas fast i hålet för insprutaren eller glödstiftet.

Till vänster: kompressionsmätning på en bensinmotor. Till höger: mätning på en dieselmotor. Då används en adapter som skruvas in i det gängade hål där insprutaren eller glödstiftet sitter.

Ett alltför lågt kompressionstryck kan bero på läckande ventiler, skador på kolvar eller slitna kolvringar. Även en läckande cylinderhuvudpackning kan sänka trycket. Packningen kan brista mellan två intilliggande cylindrar så att kompressionen ”blåser” mellan dessa båda cylindrar. För att ett kompressionsprov ska ge en riktig bild av motorns kondition måste det göras på rätt sätt. Gör så här: • Går motorn att starta, bör den vara varmkörd. • Ta bort samtliga tändstift. • Se till att tändsystemet är satt ur spel så att det inte producerar några tändgnistor på tändstiften. • På äldre motorer med tändkablar mellan tändstift och tändspole är det enklast att koppla bort tändspolens lågspänningssida. • På moderna motorer kopplas tändkassetten eller de lösa tändspolarna bort. Detta görs av två skäl: Tändsystemet kan skadas och den som utför provet kan få en elektrisk stöt som kan vara farlig. • Försäkra dig om att ingen växel ligger i. • Öppna gasspjället fullt. På moderna motorer kan det vara svårt att öppna gasspjället eftersom spjället rörs av en elmotor som styrs från styrenheten. • Startmotorn körs samtidigt som du tittar på mätaren. Efter 5‒6 kompressioner har fullt tryck uppnåtts. Försök köra lika många kompressioner på alla cylindrar. Kompressionstrycket på en standard bensinmotor brukar ligga strax över 1 MPa, 10 bar. På en dieselmotor kan kompressionstrycket ligga på 2,5‒3,5 MPa, 25‒35 bar. Skulle trycket ligga mycket lågt eller variera mycket mellan cylindrarna tyder detta på något fel. Lågt tryck på samtliga cylindrar tyder på sliten motor. Skillnaden i tryck mellan cylindrarna får inte skilja mer än 10 %. Är det uppmätta trycket lågt kan du göra en ny mätning efter att ha sprutat lite olja på cylinderväggarna. Oljan tätar tillfälligtvis mellan kolvringarna och cylinderväggarna. Ökar trycket märkbart, är kolvringarna förmodligen slitna. I annat fall kan ett lågt kompressionstryck bero på läckande ventiler eller på att packningen mellan cylinderblocket och cylinderhuvudet läcker.

32 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 32

2022-06-14 11:01

Dynamiskt kompressionsprov

Ett annat sätt att få en uppfattning om kompressionen är att göra ett s.k. dynamiskt kompressionsprov med ett diagnosinstrument. Testet mäter hur mycket ström startmotorn drar under kompressionstakterna. Ju mer ström startmotorn drar, desto högre är kompressionen i den aktuella cylindern. Testet kan också göras med ett speciellt oscilloskop avsett för motoranalys. Motorn ska hindras från att starta t.ex. genom att bränslepumpen kopplas bort.

Med hjälp av ett oscilloskop kan man mäta strömmen till startmotorn under ett startförsök. Detta ger en snabb och ganska god bild av motorns kompression. Bild Pico Technology.

Kompressionstest utan instrument

Detta exempel har vi tagit med enbart för att beskriva hur kompressionstrycket påverkar motorns funktion. Vi vill poängtera att man inte får göra detta på moderna motorer, dels kan man skada tändsystemet, dels kan det vara farligt för den person som utför provet. En gammal metod för att testa motorns kondition var att man helt enkelt lyfte bort tändkablarna en i taget från tändstiften när motorn var igång. Samtidigt noterade man hur varvtalet förändrades. Varvtalet sänktes när de andra cylindrarna måste ”dra” den bortkopplade cylindern. Var den redan ”kraftlös”, dvs. att den inte hade någon förbränning, blev det ingen skillnad. En ”frisk” motor gav en rejäl och lika stor varvtalssänkning för alla cylindrar. Naturligtvis var detta ett första test i en mer omfattande felsökning. Felet kunde bero på andra orsaker än låg kompression, exempelvis tänd- eller bränsleproblem.

Ventilsystemet Ventilsystemet är konstruerat så att varje ventil öppnas och stängs vid rätt tidpunkt under arbetsförloppet. Systemet måste fungera pålitligt vid alla varvtal. Ventilerna öppnas och stängs med roterande kamaxlar som har excentriska kammar. När kamaxeln roterar trycker kammen ner ventilen som då öppnar. En fjäder trycker sedan tillbaka ventilen när kammen roterat förbi sitt ”högsta läge”. Kammarnas utseende bestämmer alltså ventilernas rörelser. Kammarna trycker inte direkt på ventilskaftet. Den komponent som sitter mellan kam och ventilskaft kallas ventiltryckare om kamaxeln är högt monterad och ventillyftare om kamaxeln är lågt monterad. Här använder vi ordet ventiltryckare eftersom högt monterade kamaxlar är absolut vanligast i personbilar. Det finns många olika konstruktioner av ventiltryckare beroende på om ventilspelet justeras manuellt eller om spelet justeras, kompenseras, automatiskt.

33 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 33

2022-06-14 11:01

Drivningen av kamaxeln görs med en kedja, en kuggrem eller med kugghjul från vevaxelns drev. Genom att drivningen görs från vevaxeln får man automatiskt en synkronisering av ventilrörelserna och kolvarnas rörelser. Kamaxeln, kamaxlarna, roterar hälften så fort som vevaxeln. Kamaxel

Kam kallas även Nock

Ventil Kolv

Drivrem mellan kamaxel och vevaxel

Ventiltryckare

Vevaxel

Ventilerna måste täta effektivt mot sina säten. Annars läcker tryck ut både vid kompressions- och arbetstakten. När ventilskaften värms upp blir de lite längre. Alla metaller utvidgas av värme. Om ventilskaftet, när det är kallt, ligger på kamaxeln i dess ”lägsta” läge och sedan förlängs av värmen kommer ventilen inte att ”släppas upp” så att den stänger helt under tillräckligt lång tid. För att kompensera längdförändringen måste det finnas ett visst spel mellan den stängda ventilen och ventiltryckaren. Utan spel

Med spel

Spel 20 ˚C

300 ˚C

20 ˚C

300 ˚C

Ventiltallrik

Ventilsäte Cylinderhuvud Avgasventilen stänger inte helt

Avgasventilen stänger

Saknas spelet vid utloppsventilen helt, när ventilen är kall, innebär förlängningen av skaftet att ventiltallriken inte ”når tillbaka” till ventilsätet när motorn nått sin arbetstemperatur. Tätar inte ventilen mot ventilsätet kommer kompressions- och arbetstryck att läcka ut den vägen. Är spelet för litet eller inget alls hinner ventilen inte kylas av under den korta tid den är stängd. Cirka 75 % av ventilens kylning sker när ventiltallriken har kontakt med ventilsätet. Om ventilen blir överhettad kan den smälta, vilket naturligtvis resulterar i stora motorskador. Ett för stort spel orsakar ett slamrande ljud, men även en effektförlust. Effektförlusten beror på att fyllningen minskar när inloppsventilen öppnar senare och stänger tidigare. Ventilspel heter på engelska valve lash eller valve clearance.

34 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 34

2022-06-14 11:01

Manuell justering av ventilspel

Ventilspelet kan ställas in på flera olika sätt och varierar avsevärt mellan olika motorer. Det är viktigt att ventilspelet ställs in exakt efter verkstadsinformationen. Till exempel kan spelet justeras genom att man byter justerbrickor, shimsbrickor, som har olika tjocklek. Det finns också motorer där man byter hela ventiltryckaren.

Överliggande kamaxel

Vipparm 0,05

0,05

Ventiltryckare

Stötstång

Lös justerbricka Ventiltryckare Högt placerad kamaxel

Lågt placerad kamaxel

Ventiljustering motor med lågt placerad kamaxel och stötstång

Ventiljustering motor med överliggande kamaxel

Ventiljustering motor med högt placerad kamaxel

Här visas några exempel på hur justering av spelet kan göras, beroende på ventilsystemets konstruktion. Stötstångsmotor, överliggande kamaxel med utbytbara justerbrickor, sk. shimsbrickor, och högt placerad kamaxel med vipparmar.

Automatisk ventilspelsjustering

I de flesta av dagens moderna motorer används självjusterande hydrauliska ventiltryckare som ständigt anpassar sin längd efter ventilskaftets längdförändring. Det innebär att det inte finns något spel och ventilrörelserna blir nästan ljudlösa. Självjusteringen drivs med tryck från motorns smörjsystem. Dock har flera tillverkare återgått till manuell justering av ventilspel. Backventil öppen

Backventil stänger

Oljetryck Nollspel

När kamaxeln inte trycker ner ventilen är trycket från motorns smörjsystem samma som trycket inne i ventiltryckaren, backventilen är öppen. Oljetrycket pressar ventiltryckaren både mot ventilen och kamaxeln, vilket innebär att det inte finns något spel.

Hydraulisk ventiltryckare. Bild Schaeffler.

Här pressar kamaxeln ner ventiltryckaren, vilket ökar trycket inne i kammaren och backventilen stänger eftersom mottrycket i kammaren blir större än motorns oljetryck. Lyftaren kan nu öppna ventilen.

35 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 35

2022-06-14 11:01

Ibland föredrar motortillverkaren att placera en vipparm mellan kam och ventil. Funktionen hos den hydrauliska ventiltryckaren och denna ”ventilspelsutjämnare” är i stort sett lika. Uppgiften är att hålla ett ”nollspel” mot ventilen och tillåta en värmeutvidgning av ventilskaftet. Här trycker kamaxeln på en arm som ligger mellan kamaxel och ventil. Armens stödpunkt är den hydrauliska ventilspelsutjämnaren. Höjs stödpunkten minskas ventilspelet.

Hydraulisk ventilspelsutjämnare

Kylning av ventilerna

Avgasernas värme håller utloppsventilernas tallrik mycket het även under normal körning. Ventiltallrikarna och ventilsätena tillverkas därför av ett mycket värmebeständigt material. Ventilstyrningarna och ventilsätena kyls genom de kylmantlar, kylvätskekanaler, som omger dem i cylinderhuvudet. Ventilskaftet som löper i ventilstyrningen kyls via kontakten med styrhylsan och ventiltallriken kyls under den tid den har kontakt med ventilsätet. I en del motorer är det svårt att få kylningen att räcka till. Ventilerna utsätts för extrem värme. Motorkonstruktörerna har löst detta genom att fylla ventilskaften på avgasventilerna med natrium. Natrium är en metall som smälter vid en temperatur strax under 100 °C. Metallen blir alltså flytande då motorn kommer upp i arbetstemperatur. Den smälta natriumfyllningen kastas fram och tillbaka i ventilskaftet. Värmen transporteras med den smälta metallen från den varma ventiltallriken till ventilskaftet som har ständig kontakt med ventilstyrningen. Kylningen blir därmed effektivare. Ett annat sätt att stärka skyddet mot överhettning av utloppsventilerna är att belägga tätningsytan med materialet stellit. Det en krom-nickelbeläggning som tål hög temperatur utan att skadas. Kylmantel

Ventilstyrning

Kylmantel

Stellit

Kylmantel

Natrium Ventilsäte Ventiltallrik

Ventilskaft och ventiltallrik kyls via kontakten med styrning och säte.

Natriumfylld och stellitbelagd ventil.

36 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 36

2022-06-14 11:01

10 El- och hybridteknik I detta avsnitt har vi samlat beskrivningar av funktioner som är speciella för el- och hybridbilar. I boken PbT Elsystem, komponenter och nätverksteknik finns avsnitt som beskriver exempelvis elmotorer. I boken PbT Bromsar, kaross och chassi finns avsnitt om bromsar och klimatanläggningar för el- och hybridbilar. Vad gäller t.ex. kaross, chassi och hjulupphängning med mera skiljer sig inte el- och hybridbilar åt från bilar som har enbart förbränningsmotorer.

Introduktion och terminologi I texter om el- och hybridbilar används ofta engelska beteckningar och förkortningar. I denna introduktion går vi genom en del av dessa. En engelsk benämning för förbränningsmotorer som ofta används är ICE, internal combustion engine. Lägg märke till att benämningen gäller förbränningsmotorer med intern/inre förbränning och den täcker alltså inte exempelvis sterlingmotorer. Elbilar är bilar som drivs av en eller flera elektriska motorer och har uppladdningsbara batterier för drivning. Den engelska benämning som oftast används är BEV, battery electric vehicle. Batteriet som används för drivningen laddas från elnätet. Bilar drivna av en kombination av en förbränningsmotor och elektriska motorer samt har uppladdningsbara batterier för drivning kallar vi elhybridbilar. Den engelska benämning som oftast används är HEV, hybrid electric vehicle. Hybridbilar vars drivbatteri kan laddas från elnätet kallas laddhybridbilar eller plug in hybridbilar. Den engelska benämning som oftast används är PHEV, plug in hybrid electric vehicle. Förkortningen EV, electrical vehicle, kan användas för alla typer av eldrivna fordon. Elbilar kan också drivas av bränsleceller. Vätgas från en trycktank driver bränsleceller som producerar elenergi under tiden man kör. Den här typen kan också kombineras med laddning från elnätet. På engelska kallas de FCEV, fuel cell electric vehicle, eller FCV, fuel cell vehicle. Även bilar som inte drivs med el kan vara en slags hybrider, även om vi inte kallar dem så. Bilar med flerbränsleteknik är bilar med en förbränningsmotor som kan köras på flera olika bränslen. Det finns motorer som kan använda både fossila och fossilfria bränslen eller både flytande och gasformiga bränslen. Engelska ord som används är bi-fuel vehicle och multifuel vehicle. De elektriska motorer som används för att driva el- och hybridbilar används både som motor och generator. Om man omväxlande använder orden motor och generator kan det verka förvirrande. På grund av den dubbla funktionen används ibland ordet motorgenerator som betecknas MG i tekniska beskrivningar. I detta läromedlet använder vi ordet elmaskin. Ett undantag är i bilar där elmaskinen inte används som drivmotor, där använder vi beteckningen startmotor-generator. När bilar med en elmaskin bromsas kan detta göras genom att bilens rörelseenergi driver elmaskinen. Den elektriska växelspänning som genereras omvandlas till likspänning som kan ladda batteriet. Den här bromstekniken kallas rekuperation som ungefär betyder återförvärvande. I läromedlet använder vi orden högvoltsbatteri och lågvoltsbatteri som vi förkortar HV-batteri och LV-batteri. HV-batterier är de batterier som används för att driva bilen. De kallas ibland drivbatterier eller traktionsbatterier. LV-batterier används i el- och

179 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 179

2022-06-14 11:02

hybridbilar för att driva lampor, lyktor, servicekretsar i HV-system m.m. 48-voltsbatterier används dock för drivning i vissa bilar. Högvolt definieras som spänningar som används för driva elfordon samt anslutna hjälpsystem. HV-spänning är spänning som överstiger 30 volt AC eller 60 volt DC men som når inte över 1 000 V. Klenspänning definieras som spänningar som normalt inte överstiger 30 volt AC eller 60 volt pulsationsfri likspänning. I läromedlet använder vi orden lågvolt eller LV-spänning. Förkortningen PDM, power distribution modul, är en generell och ofta använd beteckning på en fördelningsmodul i HV-systemet. BMS står för battery management system där en styrenhet övervakar laddning och urladdning av HV-batteriet. Även beteckningen BECM används av biltillverkare för samma funktion och står för battery energy control module.

El- och elhybridbilar indelade efter spänningsnivåer De batterier som används i bilar är laddningsbara batterier, ackumulatorer. Batterier i bilar med enbart förbränningsmotorer är vanligen LV-batterier på 12 volt. Nästan uteslutande används så kallade blysyrabatterier. De kallas ibland startbatterier, men den elektriska energin i batteriet används i princip i alla bilens olika system utom i HV-system. Den enklaste formen av elhybrider kallas microhybrider och de har enbart 12-voltssystem. I en typ av hybridbilar används två spänningsnivåer som båda räknas till lågvoltssystem. Där kombineras ett 48-voltssystem med ett 12-voltssystem. Orsaken till att man använder 48-voltssystem är att de medger ett högre effektuttag. Effekt är spänning multiplicerat med ström. Man kan alltså nå samma effekt med högre spänning, men med lägre strömstyrka. 48-voltssystem räknas som LV-system. De batterier som används för att driva el- och elhybridbilar har en betydligt högre spänning, från ca 250 upp till 600 volt. I vissa fall ännu högre. Därför kallar vi de batterier som driver bilar för högvoltsbatterier. De system de ingår i kallas högvoltssystem, på engelska high voltage system. I eldrivna bilar används både hög- och lågvoltssystem, men de används för olika uppgifter.

Tidiga mildhybrider 100–150 V Högvoltssystem

Fullhybrid Drivbatteri högvolt plus lågvoltssystem

Laddhybrid Drivbatteri högvolt plus lågvoltssystem

Elbil Drivbatteri högvolt plus lågvoltssystem

Polspänning batteri

Lågvoltssystem Microhybrid Lågvoltssystem 12 V

Mildhybrid Lågvoltssystem 48 V 12 V

Grad av elektrifiering och sänkning av koldioxidutsläpp El- och elhybridbilar indelade efter spänningsnivåer.

180 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 180

2022-06-14 11:02

Olika typer av elhybridteknik Ordet hybrid kommer från det latinska ordet hybrida och betyder korsning eller blandning. I tekniska sammanhang används ordet hybrid för ett system där två olika tekniker kombineras med varandra. Inom fordonsbranschen är elhybridteknik en kombination med en förbränningsmotor och en elmaskin.

Hybridteknik i bilar innebär att det finns både en förbränningsmotor och en elmaskin.

Beroende på hur en eller flera elmaskiner kombineras med en förbränningsmotor skiljer man mellan tre typer av hybridtekniker: • Microhybrider • Mildhybrider • Fullhybrider. Elbilar BEV, Battery Electric Vehicle. Drivning enbart med elmaskin.

Hybridbilar HEV, Hybrid electric vehicle. Drivning med förbränningsmotor och elmaskin. Som beroende på ”elektrifiering kan delas in i:

Laddas med enbart extern spänningskälla

Med bränsleceller

Microhybrider

Mildhybrider

Fullhybrider

Beroende på laddningsmetoder kan fullhybrider delas in i: Hybridbilar Högvoltsbatteriet laddas enbart av den egna elmaskinen

Laddhybridbilar Högvoltsbatteriet laddas dels av den egna elmaskinen, dels av en extern spänningskälla

Beroende på hur drivlinan är byggd kan fullhybrider även delas upp i: Seriedrift

Parallelldrift

Kombination av serie- och parallelldrift

Microhybrid

Begreppet microhybrid används allt mer sällan. Delar av tekniken finns i nästan alla nya bilar. I microhybriders drivaggregat används startmotorn för start-stopp-funktion. Förbränningsmotorn stoppas och startas automatiskt exempelvis vid trafikljus. En del av rörelseenergin vid inbromsningar kan återvinnas av den vanliga generatorn och ladda LV-batteriet. I elsystemet används enbart 12 volt.

181 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 181

2022-06-14 11:02

I microhybrider används ingen elmaskin för att driva bilen. Egenskaperna för så kallade AGM-batterier har anpassats för att klara det ökade antalet motorstarter. Även så kallade superkondensatorer används i den här typen av system. Kondensatorer kan ta emot och lämna stora energimängder på mycket kort tid. Förbränningsmotor

Generator

Rekuperation AC/DC Lågvoltsbatteri Microhybrider har enbart ett lågvoltssystem på 12 V.

Mildhybrid

Mildhybrider med 48-voltssystem har blivit allt vanligare. Genom att använda litiumjonbatterier i 48-voltssystemet kan ett större energiinnehåll lagras jämfört med ett 12-voltsbatteri samtidigt som spänningen ligger under gränsen för farlig likspänning som ligger på 60 volt. En engelsk benämning för mildhybrider är MHEV, mild hybrid electrical vehicle. Orsaken till att man använder 48-voltssystem är att de medger ett högre effektuttag än 12-voltssystem. Utvecklad effekt beräknas som spänning multiplicerat med ström. Man kan alltså nå högre effekt med den högre spänningen, men med samma strömstyrka. Startmotor-generatorn fungerar som ett stöd för förbränningsmotorn som får hjälp av elmaskinen vid de varvtal där den inte fungerar optimalt. Detta brukar benämnas elektrisk boost. På grund av rekuperation och stödet från elmaskinen till förbränningsmotorn i vissa driftslägen sänks bränsleförbrukningen jämfört med en bil med endast ICE.

En drivrem förbinder startmotor-generatorn med vevaxeln i ICE. För att en tillräcklig stor kraft ska kunna överföras krävs att remmen är hårt spänd. Spännrullar spänner remmen, men ger den även en vinkel som ger en stor anliggningsyta vid remskivan. Bild Audi.

I mildhybrider återvinns en större del av rörelseenergin vid inbromsningar jämfört med en microhybrid. Moderna mildhybrider använder ofta två lågvoltssystem. Ett 12-voltssystem och ett 48-voltssystem. Båda spänningarna ligger under gränsen för farlig likspänning.

182 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 182

2022-06-14 11:02

Jämfört med microhybrider har mildhybrider möjlighet till en högre grad av rekuperation och bättre stöd till förbränningsmotorn. Det går i princip inte att köra en mildhybrid med enbart eldrift. Elmaskin Växellåda

Laddning och urladdning

Total driveffekt

AC/DC DC/AC

DC/DC Lågvoltsbatteri 12 V

Converter 12 V/48 V

Rekuperation

Lågvoltsbatteri 48 V

Mildhybrider har två batterier med olika spänningsnivå.

LV-batteri 12 V

LV-batteri 48 V

Start-generator

Denna bil är fyrhjulsdriven och bromsar alla hjulen vid rekuperation. Bild Audi.

Fullhybrid

Ett fullhybrid-system har alltid ett HV-batteri och en starkare elmaskin jämfört med de tidigare beskrivna hybridsystemen. Även här kombineras elmaskin och förbränningsmotor. Med detta koncept är det möjligt att köra enbart på elektricitet. Så snart det finns orsak och förutsättningar stödjer elmaskinen förbränningsmotorn så att bränsleförbrukningen sänks och avgasemissionerna minimeras. När bilen körs i låg hastighet görs det oftast enbart med eldrift om laddningen i högvoltsbatteriet tillåter. Förbränningsmotorn har en start-stopp-funktion. De båda drivsystemen, förbränningsmotorn och elmaskinen, kan separeras från varandra med en koppling. Förbränningsmotorn startas bara när den verkligen behövs. Vissa tillverkare använder en s.k. atkinson-motor med en speciell ventilstyrning som ger en lägre bränsle-

183 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 183

2022-06-14 11:02

förbrukning på bekostnad av något lägre effekt. Eftersom elmaskinen och förbränningsmotorn samverkar är den något lägre effekten från förbränningsmotorn inget problem. Beroende på om fullhybriden är en serie- eller parallellhybrid laddas HV-batteriet med olika tekniker. Men båda varianterna använder rekuperation.

Koppling

Total driveffekt

Laddning och urladdning Rekuperation

Lågvoltsbatteri

DC/DComvandlare

Högvoltsbatteri

Fullhybrider kan köras enbart på el och använder rekuperation.

Tre olika varianter av fullhybrider

Beroende på hur förbränningsmotor och elmaskiner kopplas till drivningen talar man om två grundtekniker, seriehybrider och parallellhybrider. En tredje variant är en kombination av dessa. Seriehybrid Förbränningsmotorn är inte mekaniskt kopplad till drivhjulen utan driver enbart en generator. Spänningen från generatorn driver den eller de elmaskiner bilen har samt laddar HV-batteriet. Det finns ingen mekanisk koppling mellan förbränningsmotorn och drivhjulen.

M/G

Förbränningsmotorn är inte mekaniskt kopplad till drivhjulen.

184 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 184

2022-06-14 11:02

Parallellhybrid I denna hybrid är förbränningsmotorn mekaniskt kopplad både till fordonets mekaniska kraftöverföring samt till en elmaskin. Drivhjulen kan drivas mekaniskt antingen av enbart förbränningsmotorn eller enbart av elmaskinen. Men även av båda samtidigt.

M/G

Förbränningsmotorn är mekaniskt kopplad till drivhjulen.

Kombinationshybrid En variant är en kombination av serie- och parallellhybrid. Denna kallas även kraftdelad serieparallellhybrid. Toyota Prius har denna teknik. MG2

MG1 Inverter

HV-batteri Planetväxel M/G1 Generator / Startmotor M/G2 Drivmotor / Generator Mekanisk kraftöverföring HV-ledningar Den första modellen av Toyota Prius kom redan 1997. Tekniken är alltså väl beprövad och har, enligt Toyota, visat sig vara driftsäker. Toyota har valt en bensindriven motor i kombination med elmotorn. Bild till höger Toyota.

Laddhybrid

När elhybriders HV-batteri kan laddas direkt från elnätet kallas de laddhybrider eller plug-in-hybrider. En laddhybrid kan alltså köras enbart på eldrift, utan att förbränningsmotorn behöver startas så länge det finns tillräckligt med energi i HV-batteriet. Men till skillnad från en ren elbil har man en förbränningsmotor som kan driva bilen och ladda HV-batteriet om det inte finns en laddpunkt inom räckhåll. Laddhybrider har större HV-batteri än tidigare nämnda elhybrider.

M/G

Laddhybrider kan drivas enbart av elmaskinen.

185 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 185

2022-06-14 11:02

Effekt, verkningsgrad och miljö

Med elhybridteknik kan man utnyttja elmotorers och förbränningsmotorers bästa egenskaper. Jämfört med bilar som endast har förbränningsmotor kan bränsleförbrukningen sänkas och därmed minskas bränslets negativa miljöpåverkan. Kombinationen ger också möjlighet till högre vridmoment och högre effekt.

Gaspådrag

35 kW

245 kW

E-boost

Totalt 280 kW driveffekt. Obs, värdena är endast exempel.

Elmaskinen kan bidra med vridmoment när förbränningsmotorn går på ett lågt varvtal, men då föraren vill accelerera snabbt. Funktionen kan jämföras med kick-down-funktionen på en automatlåda. Fast här är det elmaskinen som ger den extra effekten.

Elmotorer har mycket lägre effektförluster än förbränningsmotorer. En elmotor ger också fullt vridmoment redan från start. I elhybridbilar kan därför elmaskinen användas för att ge ett tillskott av vridmoment vid de tillfällen då förbränningsmotorn går på ett lågt varvtal men då det behövs ett högt vridmoment. Vridmomentskurva för förbränningsmotor

Vridmomentskurva för elmaskin

MV Nm

Varvtal

800 rpm

MV Nm

P kW

700 600

Varvtal

800 rpm

300 250

500

200

400

150

300

100

200

100

Elmotorn ger fullt vridmoment från start. Förbränningsmotorn behöver varvas upp för att ge maximalt vridmoment.

1000

2000 3000 4000

0 5000 rpm

a b

Totalt vridmoment Vridmoment från förbränningsmotorn Total effekt Förbränningsmotorns effekt Vridmomentökning t.ex. vid E-boost Effektökning tack vare elmaskinen

Moment-effektdiagram som visar hur en elmaskin kan stötta förbränningsmotorn i en bil.

186 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 186

2022-06-14 11:02

Funktioner i HV-system Även om biltillverkarna inte använder samma konstruktionslösningar så har de allra flesta el- och elhybridbilar ett antal gemensamma komponenter/funktioner. I detta avsnitt beskrivs några av dessa, andra som kräver en mer utförlig beskrivning hittar du i andra avsnitt. Exempel på komponenter som kan ingå i en eldriven bils HV-system: • OBC, ombordladdare. Konverterar 230 eller 400 volts växelspänning till likspänning • Högvoltsbatteri • BMS, ett system med styrenhet som övervakar HV-systemet. BMS övervakar laddning och urladdning av HV-batteriet, batteritemperatur, säkerhetsfunktioner m.m. • Isolationsövervakning och isolationsprovning av HV-systemet • Inverter, en enhet som både växelriktar och likriktar elektrisk spänning. Ofta ingår även frekvensomformning av matningsspänningen till elmaskinen • Converter, en enhet som sänker HV-spänningen så att LV-batteriet kan laddas • Elmaskin • Kyl- och värmesystem för HV-batteri, elmaskin och kraftelektronik som exempelvis invertern • Klimatsystem för kupén. Ofta drivs AC-kompressorn av HV-spänning. Även PTC-värmare för luft och vätska matas via HV-systemet

OBC

Converter PDM

LV-batteri

Kompressor för AC

Laddintag CSS

PTC-element

BMS

M HV-

HV+

PTC-element

HV-batteri

Elmaskin

Inverter

Databuss

Kompressor med AC-motor och med växelriktare

Pilotledning/Interlock

HV -

Servicebrytare

Kontaktor

PDM

HV +

BMS

OBC

Elintag

Inverter

Säkerhetsbrytare

HV C

HV + Säkring

PTC-element luft

M G

Elmaskin

Stomanslutning LV-systemjord

Converter

PTC-element vätska

HV-batteri

LV-batteri

Exempel på komponenter som kan ingå i en eldriven bils HV-system. Bilder Kenneth Göransson.

187 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 187

2022-06-14 11:02

Kraftöverföring – Introduktion

När motorns kraft, vevaxelns vridmoment, ska föras över till drivhjulen görs det med kraftöverföringen. Ibland kallas hela detta kraftöverföringssystem, inklusive motorn, för drivlina. I detta kapitel ger vi en översikt över kraftöverföringen. I senare kapitel beskrivs huvudkomponenterna, systemen, mer ingående. Konstruktionen av kraftöverföringen ser väldigt olika ut beroende på om: • • • •

Motorn sitter placerad fram eller bak i bilen. Motorn är rakt monterad eller tvärmonterad. Bilen har en manuell eller en automatväxellåda. Bilen är tvåhjulsdriven eller fyrhjulsdriven.

Motorns placering Motorn kan vara placerad på olika ställen och i olika riktningar. Beroende på var och hur motorn är monterad och om bilen har två eller fyra drivhjul måste kraftöverföringen anpassas för detta.

Motorn fram, tvärmonterad Framhjulsdrift

Motorn bak, svansmotor Bakhjulsdrift

Motorn fram, rakt monterad Framhjulsdrift

Motorn bak, tvärmonterad Bakhjulsdrift

Motorn fram, rakt monterad Bakhjulsdrift

Motorn mittmonterad Bakhjulsdrift

216 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 216

2022-06-14 11:02

Motorn fram, rakt monterad motor

När motorn är ”rakt monterad” har motorns vevaxel samma riktning som bilen.

På en bakhjulsdriven bil förmedlas kraften till bakhjulen via en kardanaxel.

Motorn fram, tvärmonterad motor

När motorn är ”tvärmonterad” har motorns vevaxel samma riktning som bilens drivaxel.

På en framhjulsdriven bil behövs ingen kardanaxel. Slutväxel och differential är sammanbyggda med växellådan.

Drivhjul I många år var bakhjulsdrift det vanligaste alternativet för drivningen. Nu är framhjulsdrift det vanligaste alternativet. Men antalet fyrhjulsdrivna bilar ökar, mycket beroende på att de fyrhjulsdrivna systemen utvecklats starkt. Framhjulsdrift kallas FWD, Front Wheel Drive och bakhjulsdrift kallas RWD, Rear Wheel Drive. Ofta kopplas fyrhjulsdriften in automatiskt när det behövs, men det finns också bilar som har ”permanent” fyrhjulsdrift. Fyrhjulsdrivning förkortas ofta AWD, All Wheel Drive. I boken använder vi begreppet AWD för både bilar med permanent fyrhjulsdrift och där fyrhjulsdriften kopplas in automatiskt när så behövs. Ett annat uttryck för fyrhjulsdrift är 4WD, Four Wheel Drive. Även 4X4 används som beteckning. I boken används dessa beteckningar för fyrhjulsdrift som kopplas in manuellt av föraren. Framhjulsdrift

Bakhjulsdrift

Fyrhjulsdrift

217 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 217

2022-06-14 11:02

Huvudkomponenter i kraftöverföringen Koppling

Kopplingen behövs för att koppla isär och ihop motorns vevaxel med växellådans ingående axel. Kopplingen gör också att man kan starta mjukt och är en förutsättning för en manuell växellåda. På automatväxlade bilar finns en ”kopplingsfunktion” men den manövreras inte med kopplingspedal.

Växellåda

Med växellådan kan utväxlingsförhållandet mellan motor och drivhjul förändras under tiden man kör. Vridmoment och varvtal vid drivhjulen kan med hjälp av växellådan anpassas till olika körförhållanden. Med körförhållande menar vi att bilen körs långsamt eller snabbt, att det ibland behövs mycket kraft i låga hastigheter o.s.v. Med växellådan kan också rotationsriktningen hos drivaxlarna vändas vilket är nödvändigt när man ska backa.

Slutväxel

Som namnet antyder är slutväxeln vanligen den sista utväxlingen i kraftöverföringen där vridmoment och varvtal ändras. Det finns en slutväxel till varje hjulpar som driver. Är bilen framhjulsdriven så finns det en slutväxel i anslutning till framaxeln och när bilen är bakhjulsdriven så finns det en slutväxel i bakaxeln. Fyrhjulsdrivna bilar har en slutväxel fram och en bak. Slutväxel och differential är oftast sammanbyggda.

Differential

Med en enda gemensam drivaxel till vänster och höger drivhjul så skulle båda hjulen alltid tvingas att rotera med samma varvtal. Det skulle då bli svårt att svänga eftersom inner- och ytterhjul måste kunna rulla olika lång sträcka i en kurva. Det är differentialens uppgift att tillåta drivhjulen att rotera olika fort, med ett differentierat varvtal, när det behövs. Trots att drivhjulen roterar olika snabbt driver de ändå. En funktion man får på köpet är att differentialen fördelar drivkraften lika mellan de båda drivhjulen.

Drivaxlar och drivknutar

För att överföra drivkrafter mellan kraftöverföringens delar och vidare till drivhjulen behövs drivaxlar och drivknutar. Beroende på hur kraftöverföringen är utformad behövs olika typer av axlar och knutar. Koppling Växellåda

Slutväxel

Differential

Drivknut

Framhjulsdrivna bilar har vanligen motor, koppling, växellåda, slutväxel och differential sammanbyggt till en enhet som kallas drivaggregat.

218 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 218

2022-06-14 11:02

Utväxlingsförhållande Med utväxlingsförhållande menar vi förhållandet mellan varvtalen hos två axlar som är förbundna med varandra i någon typ av utväxling. Varvtal in, dividerat med varvtal ut, ger utväxlingsförhållandet. Drev Z1 = 15 kuggar Drivande axel Varvtal in

Varvtal in = Utväxlingsförhållande Varvtal ut Utväxling 2:1 Driven axel Varvtal ut Hjul Z2 = 30 kuggar

Men utväxlingsförhållande kan också användas för att beskriva flera utväxlingar i följd. Exempelvis kan man tala om förhållandet mellan varvtalen för ingående och utgående axeln i en växellåda. I kraftöverföringen förekommer utväxlingar på flera ställen, exempelvis i växellådan och i slutväxeln. Det totala utväxlingsförhållandet i kraftöverföringen, drivlinan, är förhållandet i varvtal mellan motorns vevaxel och drivhjulen. Slutväxel 2 700 rpm Växellåda

Utväxlingsförhållande =

2700 = 15 : 1 180

180 rpm

Vevaxelns varvtal dividerat med drivhjulens varvtal ger det totala utväxlingsförhållandet i en drivlina.

Varvtal och vridmoment

När varvtalet växlas ner från ”högt till lågt” sett från vevaxel till drivhjul, händer det motsatta med vridmomentet. Vevaxelns vridmoment, dess vridande kraft, är inte speciellt stor, men genom nedväxlingen av varvtalet så ökar vridmomentet i drivlinan i motsvarande grad.

Varvtal Vridmoment

219 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 219

2022-06-14 11:02

Vi säger att vi växlar ner genom att exempelvis skifta från växelläge tre till två. Det som händer då är att vi växlar upp vridmomentet. Den vridande kraften ute vid drivhjulen blir större. I bilden ovan visar höjden på staplarna varvtal och vridmoment. Vevaxeln har ett ”högt” varvtal men ”litet” vridmoment. I växellådan växlas varvtalet ner, vilket ökar vridmomentet. Vridmomentet leds från växellådan vidare till slutväxeln, där varvtalet växlas ner ytterligare. Samtidigt blir vridmomentet större. Syftet med att växla ner varvtalet i drivlinan är att man vill vinna vridmoment på bekostnad av varvtal. När högsta växeln i en bil är ilagd innebär det oftast att vevaxelns varvtal är samma som för den utgående axeln från växellådan. Då kallas växeln för direktväxel.

Hur utväxlingsförhållande skrivs

Det är viktigt att veta vilken axel som är drivande respektive blir driven när man ska beskriva ett utväxlingsförhållande. Första siffran i ett utväxlingsförhållande anger hur många varv den drivande axeln måste rotera för att den drivna axeln ska göra ett varv. • Är varvtalet på den drivande axeln 10 rpm och den drivna axelns varvtal 1 rpm, så har varvtalet växlats ner med 10:1. • Är varvtalet på den drivande axeln 1 rpm och den drivna axelns varvtal 10 rpm, så har varvtalet växlats upp med 0,1:1. • Roterar den drivande axeln med samma varvtal som den drivna är utväxlingsförhållandet 1:1. På samma sätt kan vi beskriva vridmoment: • Är vridmomentet på den drivande axeln 10 Nm och den drivna axelns vridmoment 1 Nm, så har vridmomentet växlats ner med 10:1. • Är vridmomentet på den drivande axeln 1 Nm och den drivna axelns vridmoment 10 Nm, så har vridmomentet växlats upp med 0,1:1. • Är vridmomentet på den drivande axeln samma som på den drivna är utväxlingsförhållandet 1:1.

Exempel Varvtal vid nedväxling

En motors maximala vridmoment uppnås vid 2 700 rpm. Totala utväxlingsförhållandet i drivlinan är på en viss växel 15:1. Genom att dividera 2 700 med 15 så får vi veta drivhjulens varvtal. Växel X

nDrivhjul =

Varvtal 2 700 rpm

Totalt utväxlingsförhållande 15:1

nVevaxel 2 700 = 180 rpm = Utväxling 15

Varvtal 180 rpm

Vevaxelns varvtal 2 700 rpm har genom växlingen blivit 180 rpm vid drivhjulen.

220 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 220

2022-06-14 11:03

Exempel Vridmoment vid nedväxling

En motors maximala vridmoment på vevaxeln är 270 Nm vid ett visst varvtal. Vi antar att det totala utväxlingsförhållandet på en viss växel är 15:1. Genom att multiplicera 270 Nm med 15 så får vi veta vilket vridmoment som verkar vid drivhjulen. Växel X

M V Drivhjul = M V Vevaxel ⋅ Utväxling M V Drivhjul = 270 ⋅15 = 4 050 Nm

Mv = 270 Nm

Totalt utväxlingsförhållande 15:1

Mv = 4 050 Nm

Motorns vridmoment på 270 Nm har genom totala utväxlingen, vid just denna växel, ökats till 4 050 Nm vid drivhjulen.

Varför behöver utväxlingsförhållandet ändras?

Svaret är att det är förbränningsmotorernas begränsningar som kräver att utväxlingen mellan motorns vevaxel och drivhjulen kan anpassas till olika körförhållanden. Ett vanligt varvtalsregister för en standardmotor är mellan ca 800 och 6 000 rpm. Men den presterar bäst i ett mycket mindre varvtalsregister, mellan ca 2 000 och 3 000 rpm. Om man vill utnyttja en motor maximalt, som exempelvis en tävlingsförare gör, så gäller det att motorn alltid får arbeta inom det varvtalsområde där den presterar bäst. Var detta varvtalsområde är kan man läsa ut av en motors effekt-momentdiagram. För att motorns varvtal ska kunna ligga inom detta begränsade varvtalsområde samtidigt som bilen ska gå från mycket låga hastigheter och upp till hastigheter över 200 km/h, så måste det finnas flera utväxlingsförhållanden att välja mellan. Därför har vi växellådor i bilarna.

Vridmoment i newtonmeter, Nm

Effekt i kilowatt, kW

Effekt-momentdiagram Kurvan för en motors maximala vridmoment får man genom att bromsa motorn då den går med fullt gaspådrag och mäta kraften, vridmomentet, på vevaxeln. Vid ett visst varvtal är vridmomentet störst. Under och över detta varvtal sjunker det. Vridmomentskurvan visar alltså motorns vridmoment vid olika varvtal. Effektkurvan visar vid vilket varvtal motorn utvecklar högst effekt. Trycket, kraften, som varje enskild förbränning utvecklar avtar vid högre varvtal, vilket beror på en sämre fyllnadsgrad i cylindrarna. 120 Att maximal effekt ändå ligger på ett högre Moment läses Effekt läses Effekt av på denna varvtal än maximalt vridmoment beror på att fler av på denna 100 skalan skalan förbränningar kan ske på en bestämd tid. 80 240 Effekt är ju utfört arbete under en bestämd 220 60 200 tidsperiod. När arbetet en newtonmeter utförs på Vridmoment 1 sekund är effekten 1 watt. 40 Förbränningsmotorer har sitt bästa arbets20 område, sin högsta verkningsgrad, mellan högsta 0 vridmoment och högsta effekt. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 Varvtal rpm

221 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 221

2022-06-14 11:03

Effekt-momentdiagram för elmotorer Trefas växelströmsmotorer som används på elbilar och hybridbilar levererar maximalt vridmoment direkt från start, då det behövs som mest. En förbränningsmotor har ofta en tomgång på ca 800 rpm och ett maxvarvtal på ca 6 000 rpm. För att motorn ska kunna arbeta i det varvtalsregister där den är som mest effektiv behövs ett antal växlar för att bilen ska kunna köras i olika hastigheter. Elbilar har bara en växel men växellådan innehåller vanligen en reduktionsväxel som minskar varvtalet något, samtidigt som vridmomentet ökas i motsvarande grad. Nm 250

kW 75

200

150

100

2000 4000 6000 8000 10 000 rpm

Effekt i kW Vridmoment i Nm

Elmotor i Chevrolet SparkEV. Bild Chevrolet.

Fördjupning Arbete och effekt

Ett företag får levererat en pall med ett ton A4-papper, som är paketerat i mindre paket. Pallen ställs på gatan utanför företaget, men pappret ska till en lokal två trappor upp. Ett arbete ska utföras. För att frakta upp pappret till andra våningen kan vi använda en långsamtgående hiss som tar hela pallen på en gång. Lyftet går långsamt, men allt papper kommer upp på en gång. Detta kan liknas vid ett stort vridmoment. Arbetet har utförts, men det tog lång tid. Om vi istället anlitar ett stort antal personer som snabbt springer skytteltrafik i trappan med ett paket i taget kanske de gör arbetet på halva den tid det tog för hissen. Många små ”moment”, men en högre effekt utvecklas. Samma arbete har utförts som hissen gjorde, men eftersom det gjordes på kortare tid var den utvecklade effekten högre.

222 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 222

2022-06-14 11:03

Beräkning av utväxlingsförhållande För att beräkna ett utvecklingsförhållande kan man använda varvtalen på drivande och driven axel, så som visats tidigare. En annan metod är att räkna antalet kuggar på hjulen. Det är viktigt att veta vilken axel, vilket kugghjul, som är drivande respektive blir drivet när man ska beräkna utväxlingsförhållanden. I beräkningarna använder vi beteckningen i för utväxling. När utväxlingsförhållandet för en kuggväxel ska beräknas behöver man veta antalet kuggar på de två kugghjulen. Man måste också, som nämnts tidigare, veta vilket kugghjul som är drivande, vilket som är drevet. I beräkningarna betecknar vi drevet med Z1 . Det drivna kugghjulet betecknar vi med Z2. Finns det fler kugghjul i en serie utväxlingar, betecknas de i kraftens riktning med Z3, Z4 och så vidare. Z1

Drev Drivande hjul

i = Utväxling Z = Antal kuggar på ett kugghjul Z1 = Antal kuggar på drevet

Z2 Drivet hjul

Z 2 = Antal kuggar på det drivna hjulet Z i= 2 Z1

Detta är en nedväxling av varvtalet, det drivna hjulet roterar långsammare än drevet.

Exempel Utväxling 1

Drevet har 15 kuggar och det drivna hjulet har 30 kuggar. Hur stor är utväxlingen? Är det en ned- eller en uppväxling? Drev Z1 = 15 kuggar

Z 2 30 = =2 Z1 15

Hjul Z2 = 30 kuggar

Drevet roterar snabbare än det drivna hjulet, alltså är detta en nedväxling av varvtalet med förhållande 2:1. Vridmomentet däremot växlas upp med ett lika stort förhållande, 0,5:1. En newtonmeter in ger två newtonmeter ut.

223 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 223

2022-06-14 11:03

Exempel Utväxling 2

Drevet har 30 kuggar och det drivna hjulet har 15 kuggar. Hur stor är utväxlingen? Är det en ned- eller en uppväxling? Drev Z1 = 30 kuggar

Z 2 15 = = 0,5 Z1 30

Hjul Z2 = 15 kuggar

Drevet roterar långsammare än det drivna hjulet, alltså är detta en uppväxling av varvtalet med förhållande 0,5:1. Vridmomentet växlas däremot ner med ett lika stort förhållande, 2:1. Två newtonmeter in ger en newtonmeter ut.

Total utväxling

När två eller fler utväxlingar ingår i en kraftöverföring beräknar man det totala utväxlingsförhållandet genom att alla ingående utväxlingar multipliceras med varandra. iTot = i1 · i2 · i3 osv. Detta totala utväxlingsförhållande anger hur många varv den första drivande axeln, drevet, måste rotera för att den sista, utgående, axeln ska rotera ett varv. Kraftöverföringens totala utväxling, i ett visst växelläge, är många varv vevaxeln måste rotera för att drivhjulen ska göra ett helt varv.

Exempel Utväxling 3

Drevet har 15 kuggar och det drivna hjulet har 30 kuggar. I andra utväxlingen har drevet 15 kuggar och det drivna hjulet 30 kuggar. Hur stor är den totala utväxlingen? Är det en ned- eller en uppväxling? Utväxling iTot Z1 15 kuggar

Utväxling i1 Z2 30 kuggar

Z4 30 kuggar

Utväxling i2

Z 2 30 = =2 Z1 15 Z 30 =2 i2 = 2 = Z1 15 iTot = i1 ⋅ i2 = 2 ⋅ 2 = 4 i1 =

Z3 15 kuggar

Det totala utväxlingsförhållandet är 4:1. Drevet roterar fyra gånger snabbare än den utgående axeln. Detta är alltså en nedväxling av varvtalet med fyra gånger. Vridmomentet växlas upp lika mycket. En newtonmeter in ger fyra newtonmeter ut.

224 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 224

2022-06-14 11:03

Förluster i kraftöverföringen I alla drivlinor, kraftöverföringar, uppstår någon typ av ”kraftförluster”. Den här ”förlusten” visar sig när man jämför tillförd energi med den energi som kommer ut som nyttigt ”arbete”. Energi kan inte försvinna, bara omvandlas till andra energiformer. När en bensinmotor omvandlar 35 % av den tillförda energin i bränslet till nyttigt arbete, rörelseenergi, tycker vi att det är en mycket bra motor. Trots att 65 % av energin omvandlas till någon annan energiform än rörelseenergi. En anledning till att förlusterna blir så stora i kolvmotorer är att mycket av den värmeenergi som bildas vid förbränningen av bränslet inte kan ”tas tillvara”. Värmeenergin leds ut till luften kring bilen via avgassystemet och motorns kylsystem. En del av energin omvandlas också via friktion mellan kolvar och cylinderväggar och i lagringar till värmeenergi. Redan innan vridmomentet leds vidare ut i kraftöverföringen har alltså en stor del av den tillförda energin i bränslet omvandlats till ”onyttigt arbete”. Förlusterna i kraftöverföringen är betydligt mindre än i motorn, men de finns även där. Skillnaden mellan tillförd energi och den energi som uträttar ett ”nyttigt arbete”, kallas verkningsgrad.

Fördjupning Energi, arbete

Storheten energi kan beskrivas som lagrad potentiell energi eller lägesenergi. Energi kan vara lagrad exempelvis i bensin, elektrisk spänning eller som lägesenergi i vattnet i en kraftverksdamm. Energi betecknas med E och grundenheten är joule. Storheten arbete är den mängd energi som omvandlas när en kraft förflyttar ett föremål. Ett annat sätt att beskriva arbete är kraft multiplicerat med sträcka. Storheten arbete betecknas med bokstaven W och anges i enheten newtonmeter, Nm.

Tre typer av förluster

Förlusterna i kraftöverföringen kan delas upp i tre olika typer. Konstanta, fasta förluster Storleken på dessa förluster har inte med de roterande detaljernas belastning eller hastighet att göra. Exempel på konstanta förluster är förspänning i lagringar, friktion vid axeltätningar och liknade. Däremot kan denna typ av förluster i viss mån påverkas av temperaturvariationer. Hastighetspåverkade förluster Dessa förluster ökar vid ökande hastighet hos roterande detaljer i kraftöverföringen. Exempel på denna typ av förluster är vätske- och luftmotstånd. Detaljer som roterar i luft påverkas inte lika mycket som detaljer som roterar i vätska. Hastighetsberoende förluster påverkas ganska mycket av temperaturen på det medium, ofta en blandning av olja och luft, som detaljen roterar i. Belastningspåverkade förluster Detta är förluster som påverkas av storleken på den belastning, det vridmoment, som de roterande detaljerna överför. Ökande belastning ger alltså ökade förluster av denna typ. Belastningsförluster består huvudsakligen av friktionsförluster. Exempel på belastningsförluster är friktion mellan kuggarna hos drev och hjul i kuggväxlar, men de uppstår även i lagringar. Ungefärliga ”normalvärden” för belastningspåverkade förluster i kuggväxlar är ca 1‒1,5 % per utväxling och ca 2 % per utväxling för hypiodväxlar.

225 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 225

2022-06-14 11:03

Ungefärliga värden för förluster

De värden som lämnas här på förluster i kraftöverföringen ska ses som ungefärliga medeltal. Förlusterna i ett enskilt fordon kan avvika stort från dessa generella värden. Förlusterna påverkas ju av varvtal, belastning, smörjmedlens egenskaper m.m. • Fram- och bakhjulsdrivna bilar med manuella växellådor 7 %. • Konstant fyrhjulshjuldrivna bilar med manuella växellådor 9 %. Bilar med inkoppling av fyrhjulsdrift typ Haldex och visko m.fl. räknas som tvåhjulsdrivna. • Automatväxlade tvåhjulsdrivna bilar med lock-up-funktion 10 %. • Automatväxlade fyrhjulsdrivna bilar med lock-up-funktion 12 %.

Mäta drivhjulseffekt och vridmoment I många sammanhang kan det vara intressant att mäta och jämföra värden på effekt och vridmoment vid drivhjulen. Dels för att se vilka förluster det finns i kraftöverföringen, dels för att jämföra biltillverkarnas uppgifter med ”verkligheten”. I diagrammet nedan kan du se en undersökning som visar att biltillverkarnas egna värden ofta är lite väl optimistiska, men det finns också tillverkare som uppger för låga värden. Skillnader mellan av tillverkare angivna värden och uppmätta. Antal mätningar 404. Relativ frekvens (%) 22 20

Max. effekt Max. vridmoment

16 14 12 10 8 6 4 2 0

–26 –24 –22 –20 –18 –16 –14 –12 –10 –8 –6 –4 –2

Effekt och vridmoment relaterat till tillverkarens angivelser (%) 1. Uppmätt effekt visar 18 % av bilarna i undersökningen har 9 % mindre effekt än den som tillverkaren har angett. 2. Uppmätt vridmoment visar att 19 % av bilarna har 7 % mindre vridmoment än den som tillverkaren har angett. 3. Till höger om ”nollinjen” visar hur vanligt det är att de uppmätta värdena är högre än de som tillverkaren har angett. Ett diagram från företaget Rototest som visar de skillnader som uppmätts på ett stort antal bilar vid en jämförelse med biltillverkarnas egna prestandauppgifter. Läs mer om Rototest på www.rototest.com

226 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 226

2022-06-14 11:03

Mätmetoder

Det finns olika typer av testutrustning för att mäta effekt och vridmoment vid drivhjulen: • Rullande landsväg, chassidynamometer • Dynamometer direkt på drivaxlarna Rullande landsväg En ”rullande landsväg” är rullar som drivhjulen körs upp på. Principen är ungefär samma som vid bromsprovning. Under mätningen driver drivhjulen runt rullarna. Motorn får gå på full gas, ofta på högsta växeln, samtidigt som rullarna bromsar ner motorn till olika varvtal där effekt och vridmoment mäts. Genom att man känner till kraftöverföringens totala utväxling på den växel som används så kan man räkna ut vridmoment och drivhjulseffekt. För att motorn inte ska överhettas ställs speciella fläktar upp framför bilen som hjälper till med motorkylningen.

Drivhjulen driver rullarna. Den slirning som finns mellan däck och rullar påverkar i viss mån mätvärdena.

Dynamometer på drivaxlarna En annan metod att är att mäta direkt på hjulnaven. På detta sätt kan mätningarna göras mer exakta eftersom ett antal felkällor, orsakade av däckens egenskaper, inte kan påverka mätningen. På hjulnaven monteras speciella adaptrar, hållare, och på dessa fästs dynamometrarna. När monteringen är klar, är bilens drivande axel upphängd i dynamometrarna. Är bilen fyrhjulsdriven så kommer hela bilen att hänga i fyra dynamometrar. Efter att bilen varmkörts så mäts en rad värden som har betydelse för bilens prestanda, som lufttrycket, laddtryck om motorn har överladdning, temperatur på motorolja, inloppsluft samt luftfuktighet. Motorn körs på full gas och dynamometrarna bromsar ner motorn till flera olika bestämda varvtal, där effekt och vridmoment mäts. Genom att uppmätta värden divideras med den totala utväxlingen på den växel som använts, så kan testutrustningen presentera diagram över motorns och kraftöverföringens prestanda.

Här visas mätning på en fyrhjulsdriven bil. Dynamometrarna är fastsatta direkt på hjulnaven. Den slirning som kan finnas mellan däck och rullar på en rullande landsväg undviks här. Bild Rototest.

227 51108261.2.1_Inlaga_2022.indd 227

2022-06-14 11:03

Personbilsteknik

Motor och kraftöverföring Avd. 2, 4

Andra upplagan

Motor och kraftöverföring – Avd. 2, 4

Sven Larsson Anders Ohlsson

ISBN 9789151108261

9 789151 108261

51108261.2.1_Omslag_2022.indd 1

2022-06-14 13:15