Provkör historien om fordonstransmissioner - del 1

I en serie artiklar kommer vi att berätta om historien om växellådor för bilar och lastbilar - kanske som en nick till tillfället av 75-årsdagen av skapandet av den första automatiska växellådan.

1993 Under testning före tävlingen på Silverstone lämnade Williams testförare David Coulthard banan för nästa test i nya Williams FW 15C. På blöt trottoar plaskar bilen överallt, men ändå kan alla höra det märkliga monotona höghastighetsljudet från en tiocylindrig motor. Uppenbarligen använder Frank William en annan typ av överföring. Det är uppenbart för de upplysta att detta inte är något annat än en steglöst variabel transmission designad för att möta behoven hos en motor i Formel 1. Senare visade det sig att den utvecklades med hjälp av de allestädes närvarande Van Doorn-specialisterna. överföring av infektion. De två konspirerande företagen har hällt enorma tekniska och ekonomiska resurser i detta projekt under de senaste fyra åren för att skapa en fullt fungerande prototyp som skulle kunna skriva om reglerna för dynamiken i sportdrottningen. I YouTube-videon idag kan du se testerna av denna modell, och Coulthard själv hävdar att han gillar hennes arbete - speciellt i hörnet, där det inte finns något behov av att slösa tid på att växla ner - allt sköts av elektronik. Tyvärr förlorade alla som arbetade med projektet frukterna av sitt arbete. Lagstiftarna var snabba med att förbjuda användningen av sådana pass i Formula, påstås på grund av "orättvis fördel". Reglerna ändrades och CVT- eller CVT-transmissioner med kilremmar var historia med bara detta korta utseende. Ärendet är avslutat och Williams bör återgå till halvautomatiska växellådor, som fortfarande är standard i Formel 1 och som i sin tur blev en revolution i slutet av 80-talet. Förresten, redan 1965, gjorde DAF med Variomatic-växellådan försök att komma in på motorsportbanan, men på den tiden var mekanismen så massiv att den även utan inblandning av subjektiva faktorer var dömd att misslyckas. Men det är en annan historia.

Vi har upprepade gånger nämnt exempel på hur mycket innovation i den moderna bilindustrin är resultatet av gamla idéer som föddes i huvudet på extremt begåvade och kräsna människor. På grund av sin mekaniska karaktär är växellådor ett av de tydligaste exemplen på hur de kan implementeras när tiden är inne. Numera har kombinationen av avancerade material och tillverkningsprocesser och e-förvaltning skapat möjligheten till otroligt effektiva lösningar inom alla former av överföring. Trenden mot lägre förbrukning å ena sidan och specificiteten hos nya motorer med reducerade dimensioner (till exempel behovet av att snabbt övervinna ett turbohål) leder till behovet av att skapa automatväxlar med ett bredare utbud av utväxlingsförhållanden och följaktligen, ett stort antal växlar. Deras billigare alternativ är CVT för små bilar, som ofta används av japanska biltillverkare och automatiska manuella växellådor som Easytronic. Opel (även för små bilar). Mekanismerna för parallella hybridsystem är specifika, och som en del av utsläppsminskningsinsatserna sker drivelektrifiering faktiskt i transmissioner.

En motor kan inte klara sig utan en växellåda

Hittills har mänskligheten inte uppfunnit ett mer effektivt sätt för direkt överföring av mekanisk energi (förutom naturligtvis hydrauliska mekanismer och hybridelektriska system) än metoder som använder remmar, kedjor och växlar. Naturligtvis finns det otaliga variationer om detta ämne, och du kan bättre förstå deras väsen genom att lista de mest framstående utvecklingen inom detta område de senaste åren.

Konceptet med elektronisk växling, eller elektronisk indirekt anslutning av kontrollmekanismen till växellådan, är långt ifrån det sista ropet, för 1916 skapade Pullman-företaget i Pennsylvania en växellåda som växlar elektriskt. Med samma arbetsprincip i förbättrad form installerades den tjugo år senare i den avantgardistiska Cord 812 - en av de mest futuristiska och underbara bilarna, inte bara 1936, när den skapades. Det är tillräckligt viktigt att denna sladd finns på omslaget till en bok om industridesignens framgångar. Dess transmission överför vridmoment från motorn till framaxeln (!), och växlingen är direkt filigran för den dåvarande representationen av rattstången, som aktiverar speciella elektriska omkopplare som aktiverar ett komplext system av elektromagnetiska enheter med vakuummembran, inklusive växlar. Kabeldesigners lyckades kombinera allt detta framgångsrikt, och det fungerar utmärkt inte bara i teorin utan också i praktiken. Det var en riktig mardröm att sätta upp en synkronisering mellan växling och kopplingsmanövrering, och enligt dåtidens bevis var det möjligt att skicka en mekaniker till ett psykiatriskt sjukhus. Cord var dock en lyxbil, och dess ägare hade inte råd med många moderna tillverkares tillfälliga inställning till noggrannheten i denna process - i praktiken växlar de flesta automatiserade (ofta kallade robot- eller halvautomatiska) transmissioner med en karakteristisk fördröjning, och ofta vindbyar.

Ingen påstår att synkronisering är en mycket lättare uppgift med de enklare och mer utbredda manuella växellådan idag, eftersom frågan "Varför är det nödvändigt att använda en sådan enhet överhuvudtaget?" Har en grundläggande karaktär. Anledningen till denna komplexa händelse, men också att öppna en affärsnisch för miljarder, ligger i förbränningsmotorns natur. Till skillnad från till exempel en ångmaskin, där trycket från den ånga som tillförs cylindrarna kan ändras relativt lätt, och dess tryck kan ändras under uppstart och normal drift, eller från en elmotor, där ett starkt drivande magnetfält finns också vid nollhastighet. per minut (i själva verket är det den högsta, och på grund av minskningen av effektiviteten hos elmotorer med ökande hastighet, utvecklar alla tillverkare av transmissioner för elfordon för närvarande tvåstegsalternativ) en intern Förbränningsmotorn har en egenskap där maximal effekt uppnås vid hastigheter nära maximalt, och det maximala vridmomentet - i ett relativt litet hastighetsområde, där de mest optimala förbränningsprocesserna inträffar. Det bör också noteras att i verkligheten används motorn sällan på den maximala vridmomentkurvan (motsvarande på den maximala effektutvecklingskurvan). Tyvärr är vridmomentet vid låga varvtal minimalt, och om växellådan är direkt ansluten, även med en koppling som frigörs och möjliggör start, kommer bilen aldrig att kunna utföra aktiviteter som start, acceleration och körning i ett brett hastighetsområde. Här är ett enkelt exempel - om motorn sänder sin hastighet 1: 1 och däckstorleken är 195/55 R 15 (för nu, abstraherat från närvaron av huvudväxeln), så bör bilen teoretiskt röra sig med en hastighet av 320 km. / h vid 3000 vevaxelvarv per minut. Naturligtvis har bilar direkta eller nära växlar och till och med bandväxlar, i vilket fall den sista körningen också kommer in i ekvationen och måste tas med i beräkningen. Men om vi fortsätter den ursprungliga resonemangslogiken om att köra med en normal hastighet på 60 km / h i staden, behöver motorn endast 560 rpm. Naturligtvis finns det ingen motor som kan göra ett sådant garn. Det finns ytterligare en detalj - eftersom kraften rent fysiskt är direkt proportionell mot vridmoment och hastighet (dess formel kan också definieras som hastighet x vridmoment / en viss koefficient), och accelerationen av en fysisk kropp beror på kraften som appliceras på den . , förstå, i detta fall kraften, det är logiskt att för snabbare acceleration behöver du högre hastigheter och mer belastning (d.v.s. vridmoment). Det låter komplicerat, men i praktiken betyder det följande: varje förare, även en som inte förstår någonting inom teknik, vet att för att snabbt kunna köra en bil måste du växla en eller till och med två växlar lägre. Det är alltså med växellådan som den omedelbart ger högre varvtal och därför mer kraft för detta ändamål med samma grad av pedaltryck. Detta är uppgiften för denna enhet - med hänsyn till egenskaperna hos förbränningsmotorn, för att säkerställa dess funktion i optimalt läge. Att köra i första växeln med en hastighet på 100 km / h kommer att vara ganska oekonomiskt, och i sjätte, lämpligt för banan, är det omöjligt att komma igång. Det är ingen tillfällighet att ekonomisk körning kräver tidiga växlingar och att motorn går vid full belastning (dvs körning något under den maximala vridmomentkurvan). Experter använder termen "låg specifik energiförbrukning", som ligger i det mellersta varvtalsområdet och nära den maximala belastningen. Då öppnas gasventilen för bensinmotorer bredare och minskar pumpförlusterna, ökar cylindertrycket och förbättrar därigenom kvaliteten på kemiska reaktioner. Lägre hastigheter minskar friktionen och ger mer tid att fylla helt. Racerbilar kör alltid med höga hastigheter och har ett stort antal växlar (åtta i Formel 1), vilket möjliggör minskad hastighet vid växling och begränsar övergången till områden med betydligt mindre kraft.

I själva verket kan det klara sig utan en klassisk växellåda, men ...

Fallet med hybridsystem och i synnerhet hybridsystem som Toyota Prius. Denna bil har ingen transmission av någon av de listade typerna. Den har nästan ingen växellåda! Detta är möjligt eftersom de tidigare nämnda bristerna kompenseras av elsystemet. Transmissionen ersätts av en så kallad power splitter, en planetväxel som kombinerar en förbränningsmotor och två elmaskiner. För personer som inte har läst den selektiva förklaringen av dess funktion i böcker om hybridsystem och särskilt om skapandet av Prius (de senare är tillgängliga på onlineversionen av vår webbplats ams.bg), kommer vi bara att säga att mekanismen tillåter en del av den mekaniska energin i förbränningsmotorn som ska överföras direkt, mekaniskt och delvis, omvandlas till elektrisk (med hjälp av en maskin som generator) och igen till mekanisk (med hjälp av en annan maskin som en elmotor) . Genialiteten med denna skapelse av Toyota (vars ursprungliga idé var det amerikanska företaget TRW från 60-talet) är att ge ett högt startvridmoment, vilket undviker behovet av mycket låga växlar och låter motorn arbeta i effektiva lägen. vid maximal belastning, simulerar högsta möjliga växel, där det elektriska systemet alltid fungerar som en buffert. När simulering av acceleration och nedväxling krävs, ökas motorvarvtalet genom att styra generatorn och följaktligen av dess hastighet med hjälp av ett sofistikerat elektroniskt strömkontrollsystem. När man simulerar höga växlar måste även två bilar byta roll för att begränsa motorns hastighet. Vid denna tidpunkt går systemet in i "power circulation" -läge och dess effektivitet reduceras avsevärt, vilket förklarar den skarpa visningen av bränsleförbrukningen för denna typ av hybridfordon vid höga hastigheter. Således är denna teknik i praktiken en kompromiss som är bekväm för stadstrafik, eftersom det är uppenbart att det elektriska systemet inte helt kan kompensera för frånvaron av en klassisk växellåda. För att lösa detta problem använder Hondas ingenjörer en enkel men genialisk lösning i sitt nya sofistikerade hybridhybridsystem för att konkurrera med Toyota – de lägger helt enkelt till en sjätte manuell växellåda som kopplar in i stället för den höghastighetshybridmekanismen. Allt detta kan vara tillräckligt övertygande för att visa behovet av en växellåda. Naturligtvis, om möjligt med ett stort antal växlar - faktum är att med manuell kontroll kommer det helt enkelt inte att vara bekvämt för föraren att ha ett stort antal, och priset kommer att öka. För närvarande är 7-växlade manuella växellådor som de som finns i Porsche (baserad på DSG) och Chevrolet Corvettes ganska sällsynta.

Allt börjar med kedjor och bälten

Så, olika förhållanden kräver vissa värden på erforderlig effekt beroende på hastighet och vridmoment. Och i denna ekvation blir behovet av effektiv motordrift och minskad bränsleförbrukning, förutom modern motorteknik, växellådan en allt viktigare utmaning.

Naturligtvis börjar det första problemet som uppstår - i de första personbilarna var den vanligaste formen av växellåda en kedjedrift, lånad från en cykel, eller en remdrift som verkar på remskivor med olika diametrar. I praktiken var det inga obehagliga överraskningar i remdriften. Den var inte bara lika bullrig som sina kedjepartners, den kunde inte heller bryta tänderna, vilket var känt från de primitiva växelmekanismer som förare vid den tiden kallade "transmissionssallat". Sedan sekelskiftet har man gjort experiment med den så kallade "friktionshjulsdriften", som inte har någon koppling eller växlar, och som använder Nissan och Mazda i sina ringkärlväxlar (vilket kommer att diskuteras senare). Men alternativen till kugghjul hade också ett antal allvarliga nackdelar - remmarna klarade inte långvariga belastningar och ökande hastigheter, de lossnade snabbt och gick sönder och friktionshjulens "kuddar" utsattes för för snabbt slitage. Hur som helst, kort efter bilindustrins gryning blev växlar nödvändiga och förblev det enda alternativet i detta skede för att överföra vridmoment under en ganska lång tid.

Födelsen av en mekanisk transmission

Leonardo da Vinci konstruerade och tillverkade kugghjul för sina mekanismer, men tillverkning av starka, någorlunda exakta och hållbara kugghjul blev möjliga först 1880 tack vare tillgången på lämplig metallurgisk teknik för att skapa högkvalitativa stål och metallbearbetningsmaskiner. relativt hög noggrannhet i arbetet. Friktionsförluster i växlar reduceras till endast 2 procent! Detta var ögonblicket när de blev oumbärliga som en del av växellådan, men problemet kvarstod med deras förening och placering i den allmänna mekanismen. Ett exempel på en innovativ lösning är Daimler Phoenix från 1897, där växlar i olika storlekar "monterades" till en riktig, enligt dagens förståelse, en växellåda, som förutom fyra hastigheter också har en backväxel. Två år senare blev Packard det första företaget som använde den välkända positioneringen av växelspaken i slutet av bokstaven "H". Under de följande decennierna var växlarna inte längre, men mekanismerna fortsatte att förbättras för att underlätta arbetet. Carl Benz, som utrustade sina första produktionsbilar med en planetväxellåda, lyckades överleva utseendet på de första synkroniserade växellådorna som utvecklades av Cadillac och La Salle 1929. Två år senare var synkroniserare redan i bruk av Mercedes, Mathis, Maybach och Horch, och sedan ytterligare en Vauxhall, Ford och Rolls-Royce. En detalj - alla hade en osynkroniserad första växel, vilket mycket irriterade förarna och krävde specialkunskaper. Den första helt synkroniserade växellådan användes av engelska Alvis Speed ​​Twenty i oktober 1933 och skapades av det berömda tyska företaget, som fortfarande bär namnet "Gear Factory" ZF, som vi ofta kommer att referera till i vår berättelse. Det var inte förrän i mitten av 30-talet som synkroniserare började installeras på andra märken, men i billigare bilar och lastbilar fortsatte förarna att kämpa med växelspaken för att flytta och växla växlar. Faktum är att en lösning på problemet med denna typ av olägenhet söktes mycket tidigare med hjälp av olika transmissionsstrukturer, också syftade till att ständigt koppla ihop kugghjulspar och ansluta dem till axeln - under perioden 1899 till 1910, De Dion Bouton utvecklat en intressant transmission där kugghjulen ständigt är i ingrepp, och deras anslutning till sekundäraxeln utförs med hjälp av små kopplingar. Panhard-Levasseur hade en liknande utveckling, men i deras utveckling var fastkopplade växlar fast anslutna till axeln med hjälp av stift. Formgivarna slutade naturligtvis inte tänka på hur man underlättar för förare och skyddar bilar mot onödiga skador. År 1914 beslutade Cadillac -ingenjörer att de kunde utnyttja kraften i sina enorma motorer och utrusta bilar med en justerbar slutdrift som kunde växla elektriskt och ändra växelförhållandet från 4,04: till 2,5: 1.

20- och 30-talen var en tid av otroliga uppfinningar som är en del av den ständiga ackumuleringen av kunskap genom åren. Till exempel, 1931, skapade det franska företaget Cotal en elektromagnetiskt växlad manuell växellåda som styrdes av en liten spak på ratten, som i sin tur kombinerades med en liten tomgångsspak placerad på golvet. Vi nämner den senare funktionen eftersom den gör att bilen kan ha exakt lika många växlar framåt som det finns fyra backväxlar. På den tiden var prestigefyllda varumärken som Delage, Delahaye, Salmson och Voisin intresserade av Kotals uppfinning. Förutom den ovan nämnda bisarra och bortglömda "fördelen" med många moderna bakhjulsdrivna växlar, har denna otroliga växellåda också förmågan att "samverka" med en Fleschel automatisk växel som växlar när hastigheten sjunker på grund av motorbelastning och är faktiskt ett av de första försöken att automatisera processen.

De flesta bilar från 40- och 50-talet hade tre växlar, eftersom motorerna inte utvecklade mer än 4000 rpm. Med ökningen av varvtal, vridmoment och effektkurvor täckte de tre växlarna inte längre varvtalsområdet. Resultatet blev en disharmonisk rörelse med en karakteristisk "bedövande" transmission vid lyft och överdriven kraft när du växlar till en lägre. Den logiska lösningen på problemet var den massiva växlingen till en fyrväxlad växellåda på 60-talet, och de första femväxlade växellådorna på 70-talet var en viktig milstolpe för tillverkare som stolt noterade förekomsten av en sådan växellåda tillsammans med modellen på bilen. Nyligen sa ägaren till en klassisk Opel Commodore att när han köpte bilen var den i 3 växlar och var i genomsnitt 20 l / 100 km. När han bytte ut växellådan mot en fyrväxlad växellåda var förbrukningen 15 l / 100 km, och efter att han äntligen fick en femväxlad sänkte den senare till 10 liter.

Idag finns det praktiskt taget inga bilar med mindre än fem växlar, och sex hastigheter blir normen i högre versioner av kompakta modeller. Den sjätte idén är i de flesta fall en kraftig minskning av hastigheten vid höga varvtal, och i vissa fall när den inte är så lång och hastighetsminskningen sjunker vid växling. Flerstegsöverföringar har en särskilt positiv effekt på dieselmotorer, vars enheter har ett högt vridmoment, men ett betydligt minskat arbetsområde på grund av dieselmotorns grundläggande natur.

(att följa)

Text: Georgy Kolev