artikel

Sleutelen aan Volvo I-Shift Dual Clutch versnellingsbak

Techniek 2684

Volvo heeft de primeur van een dubbelkoppelingsversnellingsbak voor zware trucks. Hoe werkt zo’n bak? Wat betekent Dual Clutch in de werkplaats? En welke toekomst heeft deze bak in de truckwereld? We gaan op zoek naar de antwoorden tijdens de training in Göteborg voor Volvo’s technische trainers én voor AMT.

Sleutelen aan Volvo I-Shift Dual Clutch versnellingsbak
De nieuwe I-Shift transmissie van Volvo is de eerste in zijn soort. Andere merken zullen snel volgen.

Eerst de toekomst. Vanaf begin dit jaar tot half april verkocht Volvo Trucks alleen in Nederland al 70 trucks met de nieuwe Volvo I-Shift dual clutch versnellingsbak. In Duitsland staat de teller zelfs al op meer dan 500. Dat zijn serieuze aantallen. Wat is het geheim van dit succes? Om dat te ontdekken, rijden we eerst mee met testrijder Per Dahl. Zijn voertuig is een 4×2 Volvo FH 460 Euro 6 met drieassige oplegger. Volgeladen!

I-Shifts en Powershifts

Als Per wegrijdt bij het Volvo Trucks Training Center bij Göteborg, lijkt het gedrag van de Dual Clutch in eerste instantie op dat van een ‘gewone’ I-Shift, de geautomatiseerde versnellingsbak die we sinds 2002 kennen van Volvo Trucks. De bak schakelt van 1 naar 4 naar 6 naar 9. Niets bijzonders.

PowerShiften tijdens acceleren, turbodruk blijft maximaal

Meerijden met testrijder Per Dahl. Powershifts voel je niet, je ziet ze alleen aan de indicator op het instrumentenpaneel. En het balkje (rechtsonder) van de turbodruk? Dat blijft gewoon op maximaal staan.

Dan geeft Per meer gas. De bak gaat van 9 naar 10, 11, 12. En terwijl de truck fel accelereert, is geen van die schakelmomenten voelbaar. Alleen aan het display op het dashboard, dat de gekozen versnelling weergeeft, kun je zien dat de bak schakelt. Dat dat ook echt naadloos gebeurt, zie je aan het balkje van de turbodruk. Dat blijft op maximaal staan. “Powershifting”, noemt Volvo dat.

In de steile aanloop naar de brug over Göta älv maken die powershifts de truck vlot én comfortabel. En in de afdaling, als de motorrem gebruikt wordt, houden ze de truck opnieuw schokvrij.

Minder beweging in de vrachtwagen

Dat powershiften doet de Volvo I-Shift Dual Clutch (I-SDC) zowel in de hoge range (versnelling 7 tot en met 12) als in de lage (1 t/m 6). Maar alleen als de chauffeur minstens 60% van het motorkoppel vraagt. Dat zien we als we terugkomen op de parkeerplaats van het Volvo Trucks Training Center. Per geeft even vol gas en de bak gaat onmerkbaar van 4 naar 5 naar 6. Zonder het geringste schokje.

‘Tijdens powershiften blijft het balkje van de turbodruk op maximaal staan’

Als gezegd, comfortabel voor de chauffeur. “Maar er zijn meer voordelen”, legt Per uit: “Minder beweging in de lading. Dat maakt deze versnellingsbak bij uitstek geschikt voor transport van vloeistoffen of levend vee. En het beperkt de slijtage in de aandrijflijn.”

Hoe zit het met het brandstofverbruik?

Over brandstofverbruik hebben we het dan nog niet gehad. En dat terwijl dat eigenlijk het idee achter de ontwikkeling van de Volvo I-Shift Dual Clutch was. Kijk maar op www.amt.nl/5-2015. Daar vind je het artikel terug dat we schreven ten tijde van de introductie van de FH in 2012. Er zou toen een variant van Volvo’s D13-motor komen die dankzij turbocompound zuiniger aan Euro 6 kon voldoen. Daarvoor moest de motor continu in een smalle powerband blijven. En dat moest de I-SDC verzorgen.

Uitleg bij I-Shift versnellingsbak

Onderhoud en reparatie aan de
I-Shift Dual Clutch, hoe doe je dat? Voor de Volvo-trainers het trucktechnici kunnen leren, gaan ze zelf op training. In het zwart ‘train-de-trainer’ trainer Benny Gustavsson, direct links en rechts van hem de Nederlandse Volvo-trainers Peter Hendriks en Many van Krieken.

Inmiddels zijn we drie jaar verder. Volvo’s turbocompound-motor laat nog op zich wachten, maar de I-SDC niet. Die kan besteld worden in combinatie met de reguliere 460, 500 en 540 pk Euro 6-varianten van de D13-motor. En als we Volvo’s verkoopcijfers mogen geloven, gebeurt dat volop.

Óók ZF aan de dual clutch

Overigens is Volvo niet de enige die via de versnellingsbak het verbruik van trucks omlaag wil brengen. In een uitgebreid artikel in het Duitse MTZ leggen twee ‘Diplom-Ingenieurs’ van ZF uit waarom zij een Dual Clutch-versnellingsbak voor zware trucks ontwikkelen: “Door het toerental 400
t/min lager te kiezen, kom je in een voor het verbruik gunstiger belastinggebied.

Nadeel is dat de chauffeur dan minder reservekoppel tot zijn beschikking heeft. Bij het minste of geringste hellinkje moet hij dan meteen terugschakelen. Tenzij onze Traxon Dual Clutch-transmissie dat onmerkbaar voor hem doet.” Wel moeten chauffeurs nog even wachten op die ZF Dual Clutch-bak. ZF streeft ernaar zijn dubbelkoppelingsversnellingsbak voor verschillende truckfabrikanten in productie te nemen in… 2018.

Kortom, Volvo is de eerste, maar andere merken volgen. En de verkoopaantallen laten nu al zien waarom. Alle reden dus om ons grondig te verdiepen in de techniek van de I-SDC.

De I-Shift-versnellingsbak is 12 cm langer

Die I-SDC-versnellingsbak lijkt aan de buitenkant op de standaard I-Shift, zien de Europese trainers bij de eerste kennismaking in het Volvo Trucks Training Center. Het belangrijkste verschil zit in het koppelingshuis. Dat is 12 cm langer, om ruimte te bieden aan de dubbele koppeling en de cilinders die beide koppelingen bedienen.

Op het typeplaatje staat SPO2812. Dat staat voor: Semi Powershift transmission Overdrive, 2800 Nm en 12 versnellingen vooruit. “De 11 is een prisedirect en de 12 een overdrive”, leggen ‘train-de-trainer-trainers’ Johan Lindberg en Benny Gustavsson uit. En waarom ‘Semi’? “Allereerst omdat de bak niet kan powershiften tussen de lage en hoge range, dus van 6 naar 7. Maar ook omdat de bak zowel powershifts als reguliere I-shifts kan maken.”

Voor de duidelijkheid: “Bij een powershift is de volgende versnelling al geselecteerd. Schakelen gebeurt dan door de ene koppeling te sluiten en tegelijkertijd de andere te openen. En omdat dat bij laag koppel geen brandstof spaart, en ook geen extra tractie of meer comfort geeft, doet de bak dat alleen als de motor minimaal 60% van zijn maximum koppel levert.”

Twee ingaande assen

Voor nu even genoeg theorie. De trainers in deze klas moeten straks de Europese Volvo-trucktechnici in de praktijk trainen. Dus handen uit de mouwen. Allereerst om een I-SDC-bak uit te bouwen. Hoe dat moet? Dat staat stap voor stap in Impact, Volvo Trucks’ technisch informatiesysteem. Een deel van de stappen kunnen de trainers overslaan, want deze I-SDC zit niet in een truck, maar achter een motor op een bok. Verder is het huis van de versnellingsbak aan drie kanten open. Zo kunnen de trainers een blik op de inhoud werpen.

We kijken mee. De bak heeft twee ingaande assen. Ingaande as 2 is hol en massieve ingaande as 1 ligt daar binnenin. Via het vaste tandwiel P2 op het einde van de holle ingaande as is die ingaande as 2 verantwoordelijk voor de even versnellingen. Op het einde van ingaande as 1 zit een smal tandwiel (later meer over dat zogenoemde synchronisatietandwiel). Het tandwiel P1, dat daarachter zit, is via axiale splines vast verbonden met ingaande as 1, en drijft de oneven versnellingen aan.

Voor wie de reguliere I-Shift kent, ziet dit er bekend uit. P2 is daar het ‘High Split’-tandwiel en P1 het ‘Low Split’-tandwiel. En in plaats van de dubbele ingaande as is er de verbindingsmof om de keuze tussen High- en Low Split te maken.

Hoofdas: vier zwevende tandwielen

In het verlengde van beide ingaande assen ligt de hoofdas. Die is gelagerd in het achterste holle deel van de massieve ingaande as, ter hoogte van tandwiel P2. Op de hoofdas zitten vier zwevende tandwielen. We sommen ze op: P1 (let op: gelagerd op de hoofdas én via splines aan de zijkant vast verbonden met ingaande as 1), tandwiel S2, tandwiel S1 en achteruittandwiel R. Als gezegd zitten de tandwielen zwevend, dus gelagerd, op de hoofdas. Maar via de schuifmoffen g3, g2 en g1R kunnen ze vast met de hoofdas verbonden worden. Een planetair tandwielstelsel op de uitgaande as achter de hoofdas geeft de bak zijn hoge en lage range.

Echte en virtuele secundaire as

Onder de hoofdas ligt de secundaire as, met daarop de tegentandwielen van P2, P1, S2, S1 en R. (Voor het gemak vergeten we even het synchronisatietegentandwiel tussen P2 en P1. Daarover later meer.) Tegentandwiel P2 is op de secundaire as geperst en geborgd met een moer. Tegentandwielen S1 en R maken integraal deel uit van de secundaire as. Alleen tegentandwielen P1 en S2 zijn zwevend. Maar ook deze tandwielen kunnen vast verbonden worden met de secundaire as. Maar wel op een bijzondere manier.

‘Deze configuratie van tandwielen en assen lijkt verbluffend veel op die in de reguliere I-Shift-versnellingsbak’

De achterste van de twee schuifmoffen, CR, verbindt namelijk tegentandwiel S2 met de de secundaire as. De voorste van de twee, CF, verbindt P1 niet met de secundaire as, maar met tandwiel S2. Kortom, als CR niet verbonden is en CF wel, dan zitten tegentandwielen P1 en S2 aan elkaar vast, terwijl ze wel vrij draaien om de secundaire as. Zo vormen ze een tweede secundaire as. Door in die situatie schuifmof CR te verbinden (met tegentandwiel S2) ontstaat weer één secundaire as. Nu met vijf vaste tandwielen.

Opvallend is dat deze configuratie van tandwielen en assen verbluffend veel lijkt op die in de reguliere I-Shift-versnellingsbak. De belangrijkste verschillen zijn de dubbele ingaande as en deze tweede secundaire as.

Tandwiel synchronisatie

Deze assen, tandwielen en verbindingsmoffen maken powershiften tussen twee keer zes versnellingen (en twee keer twee achteruit) mogelijk door bediening van de beide koppelingen en de vijf schuifmoffen. Hoe dat precies in zijn werk gaat? Dat lees en zie je in ‘Hoe werkt powershiften?’ op pagina 46.

Maar die hardware alleen is niet voldoende. Om te kunnen powershiften moet de versnellingsbak een versnelling kunnen voorselecteren. En om dat te doen, moeten tandwiel en as van die voorgeselecteerde versnelling gesynchroniseerd worden.

Die taak neemt de centrale synchronisator voor zijn rekening. Dat onderdeel is gekoppeld aan de secundaire as. Het maakt gebruik van een conus uit carbon met wrijvingsmateriaal op zowel de binnen- als de buitenzijde. Door aan die centrale synchronisator te trekken, maakt het wrijvingsmateriaal op de buitenkant van die conus contact met een wrijvingsvlak aan het centrale synchronisatie tegentandwiel op de secundaire as. Dat smalle synchronisatietandwiel sloegen we over bij de bespreking van de tandwielen op de secundaire as. Maar dankzij een glijlager draait het vrij om de secundaire as.

Trekken aan de centrale synchronisator zet dit tandwiel vast op de secundaire as. Daarmee koppelen de synchronisatietandwielen de beide ingaande assen en de secundaire as aan elkaar. Zo wordt een versnelling die via de tweede secundaire as loopt voor het voorselecteren gesynchroniseerd.

Synchroniseren van een versnelling die via de vaste secundaire as loopt, vraagt duwen tegen de centrale synchronisator. Dan zet het wrijvingsmateriaal op de binnenkant van de conus van de centrale synchronisator tegentandwiel P1 vast op de secundaire as. Zo wordt de beweging van de tweede secundaire as overgedragen op de secundaire as.

Drie snelheidssensoren

Om de toerentallen van de verschillende tandwielen in de gaten te houden heeft de I-SDC, net als de reguliere I-Shift, snelheidssensoren. Vanwege de tweede secundaire as is het er wel één meer: drie in plaats van twee. Sensor 1 meet de snelheid van de hoofdas. En om die in twee richtingen te kunnen meten, is het een actieve sensor (Hall).

Beide andere sensoren zijn passieve inductieve sensoren. Zij meten de snelheid van tandwielen S1 en P1. Opvallend, want tandwielpaar S2 is zowel op de hoofdas als de secundaire as zwevend. Toch kent de TECU, (Transmission ECU) bovenop de bak, de omwentelingssnelheden van dit tandwielpaar. Hoe? Doordat altijd minstens één van de schuifmoffen CF en CR verbonden te laten.

Verder zit er een rem op ingaande as 1, maar die speelt geen rol bij het powershiften. Wel bij het inschakelen bij stilstand, na een rangewissel en bij het inschakelen van de PTO.

IShift compilatie

De DCCA (Dual Clutch Concentric Actuator) bedient beide koppelingen. De achterste cilinder trekt koppeling 2 open, de voorste duwt koppeling 1 dicht. Bij montage moet de trekcilinder met een trekker worden uitgetrokken en met de blokkeerpen worden vastgehouden op zijn uiterste stand. Daarom is de blokkeerpen van buiten het koppelingshuis te verstellen.

Elektronische besturingselementen

De TECU maakt deel uit van de GCU (de Gearbox Control Unit). Die GCU telt vier pneumatische cilinders. Een daarvan bedient het planetaire tandwielstelsel voor de range op de uitgaande as, de andere drie zijn voor de schakelvorken die de schuifmoffen g3, g2 en g1R bedienen. Omdat die laatste zowel tandwiel S1 als tandwiel R met de hoofdas moet kunnen verbinden, is dat een cilinder met drie posities. De andere drie pneumatische cilinders hebben er ieder twee. De pneumatische cilinders op hun beurt worden gestuurd door solenoïd kleppen. De GCU telt er negen. Voor iedere pneumatische cilinder twee en één voor de rem op ingaande as 1.

De solenoïds en pneumatische cilinders voor de bediening van de centrale synchronisator en voor de verbindingsmoffen op de secundaire as (CF en CR) zitten in de DCVU. Die Dual Clutch Valve Unit bevat ook de solenoïds en cilinders voor de DCCA. Dat is de Dual Clutch Concentric Actuator die de dubbele koppeling bedient. De DCVU zit voorop de bak onder het koppelingshuis, maar wordt elektronisch aangestuurd door de TECU.

Ingebouwde beveiliging

Goed, de I-SDC-bak telt dus vijf verbindingsmoffen. vier daarvan (g3, g2, CF en CR) kennen twee standen en de laatste (g1R) telt er drie (tandwiel S1 verbonden, tandwiel R verbonden, allebei zwevend). Dat geeft 2 x 2 x 2 x 2 x 3 = 48 verschillende combinaties. Daarvan worden er 13 regelmatig gebruikt. Nog eens 21 combinaties zijn mogelijk en een aantal daarvan wordt gebruikt in noodloop. De overige 14 zijn verboden.

‘Als een van de 14 verboden combinaties wordt ingeschakeld, loopt de bak zware mechanische schade op’

Als een van die 14 wordt ingeschakeld, loopt de bak zware mechanische schade op. Om die reden maakt het zogenoemde interlock-systeem dat mechanisch onmogelijk. Het gebruikt de bewegingen van de schakelvorken om staafjes met uitsparingen door een huis met een radiaal beweegbaar stalen schijfje te duwen. Dat lukt alleen met de juiste combinatie van uitsparingen. Is die er niet, dan blokkeert het schijfje de beweging van de schakelvork.

Slim bedacht, en nog slimmer: een van de assen van het systeem is tevens een olieleiding met twee nozzles voor de smering van tandwielsets P2 en centrale synchronisatie.

Voertuig gestrand, 3x wat nu?

1 – De I-Shift Dual Clutch staat vast in een versnelling en de motor wil niet meer starten. Wat nu?
Probleem: Als de motor wordt afgezet, schakelt de TECU de I-SDC in neutraal. Dat doet de TECU ook als de motor om wat voor reden dan ook afslaat. Maar, als de motor stopt terwijl er onvoldoende druk is in het luchtsysteem om de schakelvorken te bedienen (bijvoorbeeld bij het aankoppelen van een aanhanger met lege luchttanks), dan gaat dat niet. De transmissie blijft dan vast staan en de motor start niet meer.
Oplossing: vul de luchttank. Liefst met een compressor, een luchtpistool en een adapter. Ontbreekt een compressor, dan kan zelfs lucht uit een band gebruikt worden. Overigens: de werkdruk in de I-SDC is 7 tot 10 bar en de minimum druk waarbij het systeem in bedrijf blijft, is 4,5 tot 4,7 bar. Als de druksensor in de GCU een druk onder de 5 bar waarneemt, komt er een waarschuwing op het instrumentenpaneel.
2 – De boordspanning is te laag voor de I-SDC-elektronica. De motor start niet meer. Wat nu?
Probleem: Het accu-voltage kan hoog genoeg zijn voor een aantal ECU’s, bijvoorbeeld die van het instrumentenpaneel, maar niet hoog genoeg voor de TECU.
Oplossing: Accu’s vervangen of opladen, desnoods met hulp van een accupaar uit een andere truck.
3 – Het voertuig is stilgevallen en moet gesleept worden. Wat nu?
Probleem: De constructie van achteruitas en oliepomp is gelijk aan die in de reguliere I-Shift. Is de smering gewaarborgd bij slepen?
Oplossing: Nee, altijd de cardanas demonteren voor je gaat slepen. Doe je dat niet, dan wordt het tandwielstelsel voor de range onvoldoende gesmeerd en ontstaan er koelingsproblemen. Voertuigen met een I-SDC hebben standaard een oliekoeler.

Aandacht voor de dual clutch koppelingen

Dual-Clutch

De linker koppeling (normaal open, sluiten door druk op diafragma) zit op ingaande as 1, de rechter (normaal dicht, openen door trek aan diafragma) op ingaande as 2. Rechts van de koppelingen de DCCA en daaronder de DCVU met de bediening van de centrale synchronisator.

Nu de trainers de hardware in het transmissiehuis kunnen doorgronden, is het tijd om de dubbele koppeling uit te bouwen. Beide koppelingen wijken af van een normale koppeling. Die is immers normaal gesloten en opent bij druk op de diafragmaveer. Ook koppeling 2 (de achterste) is normaal gesloten, maar door een andere plaatsing van het scharnierpunt opent hij bij trekken aan de diafragmaveer.

Koppeling 1 (de voorste) wordt wel bediend door te duwen, maar wijkt af omdat hij zonder bediening openstaat. Voordeel van die constructie is dat er tijdens het rijden in een oneven versnelling geen druk staat op de trek- en duwcilinders van de DCCA, terwijl ze in de even versnellingen juist allebei op druk staan. In beide gevallen is er dus geen axiale belasting.

Het koppelingspakket is tegen het vliegwiel aangebout, maar dat bevat gaten voor koeling van de koppelingen en speelt geen rol als frictieplaat. In plaats daarvan zit er een centrale drukplaat tussen beide koppelingsplaten.

Een koppelingspakket van 112 kilogram

Het complete koppelingspakket weegt 112 kg en ‘even’ ophijsen is er niet bij. De pennen rond de omtrek die daar zo geschikt voor lijken, zijn dat niet. “Ze zijn bedoeld om koppeling 1 te bedienen en niet om het gewicht van het hele pakket te dragen”, legt Benny uit. Gelukkig is er speciaal gereedschap om het pakket te tillen.

‘Tegentandwielen P1 en S2
vormen aan elkaar een tweede secundaire as’

Als het wrijvingsmateriaal op een van de koppelingsplaten voor meer dan 85% is weggesleten, verschijnt er een waarschuwing op het instrumentenpaneel. Het hele koppelingspakket moet dan vervangen worden. Demonteren van het pakket is niet toegestaan: “En erg gevaarlijk door de voorspanning op de diafragmaveer van koppeling 2!”

Dual Concentric Clutch Actuator

InterLock-System-2

De drie schakelvorken aan de
bovenkant bedienen de schuifmoffen op de hoofdas (g3, g2 en g1R). Ze worden aangestuurd door de GCU, de Gearbox Control Unit aan de bovenkant van de versnellingsbak. De twee onderste schakelvorken worden aangestuurd door de DCVU (de Double Clutch Valve Unit onder het koppelingshuis). Ze zijn voor de schuifmoffen op de secundaire as (CF en CR). De jukken van het interlock systeem zijn lichtblauw gekleurd. De uitsparingen in de duwasjes en de stalen schijven in de twee interlockhuizen laten geen ‘verboden’ combinaties toe. Zo voorkomen ze mechanische schade bij een fout in de aansturing.

Ook de DCCA, die beide diafragmaveren bedient, is een gevoelig onderdeel. Hij bestaat uit twee luchtcilinders die ieder een koppeling bedienen. Als de voorste onder druk gezet wordt, duwt hij koppeling 1 dicht. Luchtdruk op de achterste cilinder trekt koppeling 2 open. De centrale veer streeft ernaar de trekcilinder naar binnen te trekken en de duwcilinder naar buiten te duwen. Dat elimineert de speling tussen de cilinders en de diafragmaveren.

Als de koppeling eenmaal gedemonteerd is, zorgen de diafragmaveren niet meer voor tegendruk op de cilinders. En omdat de DCCA lichtgebouwd is, mag er in die situatie absoluut geen luchtdruk op de cilinders worden gezet.

Nog meer ingebouwde beveiliging

Op de DCCA zitten twee positiesensors, een voor iedere cilinder. Als er één defect is, maakt niet uit welke, blijft alleen koppeling 2 actief. Reden? “Dat voorkomt dat de diafragmaveren elkaar raken.” Daarnaast is er voor iedere cilinder een druksensor. Faalt die voor koppeling 1, dan wordt die niet meer gebruikt. Maar is de sensor voor koppeling 2 defect, dan blijft koppeling 2 actief. “Dan kan omdat die koppeling normaal gesloten is.”

Meten en testen

TechTool-diagnosetester

Natuurlijk bestaat de train de trainer-training niet alleen uit de- en montage. De trainers voeren met de TechTool-diagnosetester ook allerlei tests en metingen uit.

Nadat alles gedemonteerd is, moeten de trainers de koppeling en de bak ook weer monteren en daarna kalibreren. Bij zowel de- als montage geldt dat de werkwijze stap voor stap in Impact staat. “Volg die stappen nauwkeurig”, benadrukken Johan en Benny voortdurend. En: “Gebruik het voorgeschreven speciaalgereedschap.”

Natuurlijk bestaat de train-de-trainer-training niet alleen uit de- en montage. De trainers voeren met de TechTool-diagnosetester allerlei tests en metingen uit. Ze testen onderdelen als de snelheidssensoren, de centrale synchronisator, de solenoïde kleppen en de luchtcilinders. Ze testen het interlock systeem op verboden combinaties, ze sporen luchtlekkages op, ze lezen foutcodes uit en stellen diagnose. En steeds vragen ze zich af wat de bijbehorende klacht van de klant zou zijn. Kortom, deze trainers zijn klaar om de trucktechnici te trainen die de I-Shift Dual Clutch in hun werkplaatsen gaan krijgen. Wie naar zo’n training toe mag, is een bevoorrecht mens.

Reageer op dit artikel
Lees voordat u gaat reageren de spelregels