Provkör historien om fordonstransmissioner - del 3

I den sista delen hittar du olika typer av moderna lösningar inom detta område.

Idag är växellådsvärlden mer mångsidig än någonsin, och fordonsföretag och leverantörer är bundna av komplexa relationer och avtal som leder till skapandet av extremt högteknologiska produkter, från små CVT-transmissioner till nioväxlade automatiska växellådor.

På 50-talet verkade allt få en kristallklar bild: för amerikaner är automatisk växellåda nu av största vikt, och för européer är manuell växellåda fortfarande en prioritet. Samma påstående kan dock appliceras på 70-talet – vi får inte glömma att den verkliga "motoriseringen" av Europa (västerlandet) började just då, eftersom 80-talet fortfarande är år att bygga upp från krigets ruiner. Historien visar att bilden inte var mycket annorlunda på 2000-talet, även om automatik på vissa ställen i Europa började dyka upp i lyxigare bilar. Det var inte förrän på 90-talet som tillkomsten av e-förvaltning började förändra tidvattnet till förmån för automatiska växellådor och den gamla kontinenten. Men även 80, när andelen automatisering i nya bilar nådde 15 procent i USA och 4 procent i Japan, valde bara 5 procent av européerna denna lösning. Naturligtvis kan man inte underskatta den psykologiska komponenten i detta fall och den senares mycket målmedvetna önskan att växla på egen hand. Vid den tiden var de fortfarande till övervägande del 2002 och 6:e växeln - det var inte förrän '8 som ZF introducerade den första generationen av sin 8HP sexväxlade växellåda för att ta dem upp till XNUMXHP, sju år senare vid ZF XNUMXHP. Det senare blir en riktig revolution, inte bara med antalet växlar, utan också med den perfekta körkomforten, som tack vare BMW-ingenjörer och deras exakta integration i den sjunde serien har förts till perfektion.

Detta är verkligen en period av otrolig förändring eftersom ZF vid den tiden fortsatte att leverera 4HP för Peugeot 407 och 5HP för VW och Skoda. Faktum är att under 13 år har andelen automatiska växellådor över hela världen skjutit i höjden och nådde 46 procent 2014. Trots ökningen av antalet växlar minskar storleken och vikten, och här finns redan något för alla. Även små bilar som Honda Jazz kommer också att få dubbelkopplingsväxellådor. Mercedes och ZF presenterar nio stegenheter i följd. Aktiv gemensam utveckling GM och Ford jobbar hårt med ett tioväxlad automatlåda för att motverka Chrysler i Amerika, som under tiden släpper en licensierad version av ZF 8HP. Medan utvecklingen av manuella växellådor går mot bättre växlar, förenkling och mer exakt växling, vilket för vissa bilar till en sådan perfektion att det skulle vara helgerån att beröva dem, har automater nu ett stort urval av alternativ. Av alla bilar med automatlåda som såldes 2014 är 49 procent klassiska automatväxlar med 6 eller fler växlar, och endast 15 procent har mindre än 6 växlar. CVT:er utgör 20 procent, dubbelkopplingsväxellådor 9 procent och automatiserade manuella växellådor bara 3 procent, liksom hybrid- och elfordonsväxellådor. Dessa siffror döljer några strikta detaljer: den största andelen DSG-transmissioner finns till exempel på marknaden i Europa, klassiska i Europa och USA, och en stor andel CVT-transmissioner finns i Japan. Samtidigt är de nya enheterna inte på något sätt tyngre eller större än sina föregångare – om 5 års Mercedes 2004-växlade automatiska växellåda kräver fyra planetväxlar och sju låsanordningar, tack vare sin intelligenta arkitektur, är den nya 9G-Tronic det klarar också fyra planetväxlar, men med sex kopplingar som låselement. En sak är klar – mycket snart kommer även mellanklassmärken att följa lyxvarutillverkarna och nu gå över till transmissioner med fler växlar – ett bra exempel på detta är det faktum att Opel är i slutskedet av att utveckla en åttastegad automatlåda . Idén om en bil med automatväxellåda som får motorn att accelerera obehagligt och skapar en märklig syntetisk känsla är nu helt i historiens annaler.

Allianser och avtal

Mercedes är dock snarare ett av undantagen som biltillverkare som utvecklar och tillverkar sina egna transmissioner. Mazda, PSA och Hyundai/Kia liknar varandra, men i praktiken är de flesta biltillverkare till stor del bundna av komplexa relationer och joint ventures med varandra och med växellådsleverantörer som ZF och Aisin. Med en 8-växlad ZF automatlåda i olika varianter är till exempel modeller utrustade av Audi, BMW och Rolls-Royce. Enligt ett licensavtal tillverkar Chrysler samma växellåda för Evasion, Chrysler och Jeep-modeller, men även för Maserati och Fiat. GM tillverkar den åttaväxlade Hydra-Matic i själva Corvette, men den samarbetade med Aisin för att utveckla en åttaväxlad växellåda för Cadillac och levererade automatiska växellådor till BMW för ett decennium sedan. Samtidigt arbetar den amerikanska jätten tillsammans med Ford för att utveckla en tioväxlad växellåda, medan dess europeiska dotterbolag Opel utvecklar en egen åttaväxlad växellåda. Hyundai/Kia utvecklade också sin egen åttaväxlade växellåda. Getrag, som under tiden skaffat sig lång erfarenhet av tillverkning av dubbelkopplingstransmissioner, erbjuder sina enheter för både Ford och Renault kompaktmodeller, samt BMW M-versioner, och de två kopplingarna till dessa är till största delen levererade av LUK. Den berömda DSG-växellådan från VW och Audi designades med hjälp av BorgWarner, och växellådan till Veyron designades av Ricardo. Växellåda med två kopplingar och sju växlar. Porsche PDK är ett verk av... ZF, BorgWarner och Aichi Machine Industry, som tillsammans utvecklar och producerar transmissionen för Nissan GT-R.

Klassisk automatiseringstävling

I föregående del berättade vi i detalj om skapandet och utvecklingen av klassiska automatiska växellådor. Vi lägger till att i tidigare versioner är det trycksatta hydraulsystemet som aktiverar låselementen (se nedan) mekaniskt styrt baserat på vakuumet i grenrören och med hjälp av en centrifugalregulator. Senare baseras allt på elektronik och parametrar relaterade till motorstyrning. Det är viktigt att notera att de nya syntetiska oljorna också ger ett betydande bidrag till den exakta driften av moderna transmissioner. Men den snabba utvecklingen av klassiska automatväxlar de senaste åren har hjälpt dem att bli idag oöverträffade när det gäller växlingskomfort med exceptionell släthet och hög hastighet, och hittills är de ledande inom antalet växlar (redan 9). Den snabba bortkopplingen av vridmomentomvandlaren gör dem mer effektiva och utan avbrott i dragkraften, vilket förenar dem närmare DSG, växlingstiderna blir kortare och kortare, och med hjälp av tryckackumulatorerna är start-stoppsystemet inte integrerat. fråga. Det är intressant att notera att medan bussar mestadels använder klassiska automatväxlar, är prioritet för stora lastbilar en manuell växellåda med automatisk växling av pneumatisk växel.

Automatiska växellådor

För bara ett decennium sedan såg deras framtid lovande ut... Efter att de gick in i motorsporten på 80-talet och bytte till höghastighetssekventiella växellådor, är de nu mindre och mindre vanliga i produktionsbilar, vilket ger plats för tvåväxlade växellådor. koppling. Mekaniska transmissionsalternativ med pneumatisk och hydraulisk växling förblir prioritet för lastbilar och sekventiella för racerbilar. Det senare är ett ganska paradoxalt faktum och argumenteras av FIA av viljan att minska kostnaderna. Det har kommit till en punkt där alla Formel 1-bilar snart kommer att få växellådor från samma leverantör. Dessutom är de begränsade i material, och i antalet växlar och i bredden på växlarna - ett ganska märkligt beslut mot bakgrund av introduktionen av nya turbomotorer.

Faktum är att allt började som en revolution i den extrema Formel 1-inkubatorn, och dess konceptuella generator var chefsdesignern för Ferrari i mitten av 80-talet, John Barnard. Hans djupa idé i praktiken är inte att hitta ett nytt sätt att byta, utan att eliminera de komplexa och tunga mekanismerna i bilens hytter. Eftersom det vid den tiden redan fanns en teknisk grund i form av elektrohydrauliska enheter (som en del av den aktiva upphängningen av bilar), bestämde han sig för att en sådan aktivator kunde användas för detta ändamål. Det handlar inte ens om att ta bort kopplingspedalen först. De första prototyperna inkluderade enheter för att växla varje växel, och denna lösning gjorde det möjligt att flytta rattspakarna. Först då kom idén att släppa kopplingspedalen och samtidigt öppna den med hjälp av den styrelektroniska hjärnan. Denna arkitektur och mikroprocessorförbättringar, liksom introduktionen av elektroniskt styrda gasreglage, möjliggör helautomatisk växling. Kommer detta att bli den sista spiken i kistan för en klassisk automatlåda - på nittiotalet började sådana röster höras mer och mer. Dessutom förbättras automatiska växellådor snabbt och går mot en helt ny arkitektur med en ordnad (sekventiell) design, där spakarna i växelsystemen är placerade i kanaler eller följer konturerna av en roterande trumma.

Klassisk automatisk nu med manuell åsidosättning

Men samtidigt som halvautomatiska växellådor baserade på manuell växellåda tog sina första steg i den stora sporten löste Porsche det motsatta problemet genom att skapa en klassisk automatlåda med möjlighet att växla med hjälp av spakar på ratten. Transmissionen tillhör givetvis ZF, som tillsammans med Bosch spelar en ledande roll i projektet (Porsche skapar huvudidén och leder projektet, ZF utvecklar utrustningen och Bosch är ledningen). Genomförandet av projektet demonstreras i form av ytterligare utrustning för 911 och 968, och senare köper Audi och Mitsubishi licenser för projektet. Namnet på denna tiptronic-växellåda kommer från det tyska ordet tippen (att skjuta) på grund av förmågan att växla genom att trycka och dra i en spak. Denna typ av växellåda har redan funktionen att ändra sitt läge beroende på förarens körstil.

Samtidigt har John Barnards skapelse sin rättmätiga plats i bilar - naturligtvis för dem med en sportig anda, eller åtminstone med anspråk på det - som Ferrari F360 Modena och den mycket mer blygsamma Alfa 147 Selespeed med en sekventiell transmission (baserad på en vanlig femväxlad växellåda med en extra växelreglage och Magnetti-Marellis hjärna Men, som vi nämnde, verkade födelsen av dubbelkopplingsväxellådan bränna ambitionerna för automatiska växellådor i de stora bilarnas värld, och den senare övergått till mer blygsamma modeller och möjlighet till billigare automatisering av befintliga transmissioner (som Opel Easytronic har under tiden fått sin nya, tredje upplaga). Detta implementeras på enklare sätt än den seriella arkitekturen - för detta används en extra kontrollenhet, som redan är ganska kompakt. Lösningen på konstruktörernas långvariga dröm om synkroniserad automatisk växling och urkoppling förblir dock bara en utopi – i praktiken händer det aldrig, och alla växellådor av denna typ lider av brist på harmonisk växling från en växel till en annan. . Sportbilstillverkare har fokuserat på dubbelkopplingstransmissioner (DCT eller DSG). Ett typiskt exempel i denna riktning är samarbetet mellan BMW och Getrag, som materialiserades som en sekventiell SMG-växellåda för föregående generation M5 och omvandlades till en sjuväxlad DCT-låda för den nuvarande.

Med två kopplingar utan avbrott i dragkraften

Allt började 2003 när VW introducerade Direct Shift Transmission (eller Direct Schalt Getriebe på tyska) som utvecklades tillsammans med BorgWarner. Så snart den introducerades visade den förmågan att växla snabbare och utan ryck från manuella och automatiska växellådor, utan förlust av dragkraft och utan försämring av förbrukningen på grund av bristen på en omvandlare. Men att gå tillbaka till historien visar att Audi använde en liknande växellåda i sina rallybilar redan i mitten av 80-talet (som Sport Quattro S1 Pikes Peak), men tekniken får vänta ett tag innan tillräckligt snabba elektroniska system finns tillgängliga. styrning för serietillverkning, lämpliga kopplingsmaterial och snabba hydrauliska ställdon. Till skillnad från en konventionell transmission har DSG två koaxialaxlar, var och en med sin egen koppling. Dessa kopplingar är anordnade koncentriskt i förhållande till varandra, med den yttre ansluten till den inre av de två axlarna och den inre till den ihåliga yttre sektionen. En av axlarna accepterar udda, och den andra - jämna växlar. När exempelvis den första växeln är ilagd är den andra redan förberedd och inkopplingen sker genom att man samtidigt kopplar ur den ena och lägger i den andra utan att avbryta dragkraften. Kugghjulen drivs med klassiska synkronisatorer, men istället för mekaniska stänger och gafflar görs detta med hjälp av hydrauliska element. Flerplattskopplingar skiljer sig i design från de för mekaniska transmissioner och ligger i detta avseende nära de mekanismer som fungerar som låselement i automatik - deras utveckling har bidragit till utvecklingen av DSG. De två typerna är dock inte bara lika när det gäller öppning och stängning av hydrauliska kopplingar, utan även när det gäller elektronisk styrning baserad på flera sensorer. I tidigare versioner hade transmissionen oljebadskopplingar för bättre värmeöverföring, men med framsteg i material används nu effektivare torrkopplingar. DSG-transmissioner är numera prioriterade främst för sportmodeller, men används också ofta som ett alternativ för kompakta och små modeller som Ford Focus och Renault Megane (utrustad med Getrag), VW Golf, Audi A3, Skoda Octavia (VW-BorgWarner). automatiska och automatiserade. Så idag, med hjälp av elektronik, har alla typer av automatiska växellådor möjligheten att mekaniskt byta olika driftsätt för automatiska maskiner.

Och vad hände med variatorn under tiden?

Idén med en kontinuerligt variabel transmission är lika gammal som världen, och projekten omfattar många variationer. Deras problem är vanligtvis att det inte finns några växlar och överföringen av vridmoment till glidytorna leder till boxning. Redan i början av 20-talet hade schweiziska Weber en sådan växellåda, men först 1955 lyckades bröderna Dorn skapa en praktisk lösning av detta slag – den senare dök upp i form av Variomatic i den holländska DAF-bilen. Huvudproblemet med en enkel och lovande steglös förändring i ett brett utbud av konstruktioner med axiellt förskjutna hydrauliska ställdon och koniska element sammankopplade med en avfasad rem är deras slitage. Därför ersattes det i senare konstruktioner av ett högfriktionsstålsegmenterat metallelement, där rörelsen inte sker genom att dra, utan genom att trycka, vilket ger ett högre vridmoment. I slutet av 80-talet började många företag som Ford, Fiat, Subaru och ZF samproduktion med Van Doorne, och för att överföra mer vridmoment än 2000 skapade Audi en CVT-växellåda med hjälp av en kedja. 2003 utrustade Nissan, som verkligen respekterar dessa växellådor, till stor del tack vare den lokala tillverkaren Jatco, Murano med en CVT-växellåda, och den nuvarande automatväxellådan av Subaru Legacy använder en från LUK.

Tillbaka i slutet av 19-talet skapades de första CVT-transmissionerna, som använde direkt ingrepp med skivor med olika diametrar, och på 20-talet producerade Citroen och GM först de första produktionsversionerna. Deras intresse för denna tekniska lösning återkom i slutet av 80-talet, återigen med utvecklingen av material, och dess förvaltare var det brittiska företaget Torotrak och det tidigare nämnda Jatco - det senare som ledande inom CVT-transmissioner. På senare tid har fler och fler nya lösningar av detta slag dykt upp, som Double Rollet CVT Ultimate Transmission, som ännu inte har visat sin lönsamhet.

I en vanlig CVT-växellåda placeras vanligtvis en liten planetväxel framför huvudväxeln för att ge framåt, bakåt och neutralt växel. De olika startlösningarna använder magnetkontaktskontakter eller en standardomvandlare (Subaru eller ZF Ecotronic CVT). CVT-växellådor, som har försummats under lång tid de senaste åren, lockar igen ett ökat intresse, särskilt från japanska tillverkare. De har fortfarande en stor andel av den totala produktionen av automatiska transmissioner. Boschs överföringsteknologi blir allt mer aktiv inom detta område. Liksom med andra kommer nya material och elektronik att rädda.

Grundläggande design av en klassisk automatisk växellåda

I sin nya 9G-Tronic-växellåda använder Mercedes en så kallad hydrodynamisk vridmomentomvandlare, vilket är en extremt komplex enhet, men principen för dess funktion skiljer sig inte från den för de första sådana enheterna (se bild). I praktiken består den av en pump kopplad till motorns svänghjul, en turbin kopplad till växlar och ett mellanelement som kallas stator. Vätskedynamiken i den här enheten är extremt komplex, men helt enkelt oljan som placeras i den pumpas runt dess periferi i en cirkulär rörelse, liknande toppen av figur 8, men i en 50D-version där de korsande linjerna är förskjutna. i förhållande till varandra. Turbinbladens specifika form, som ett tecken på armen, är i själva verket en extremt exakt beräknad krökning som optimalt absorberar kraften från flödet, som i sin tur ändrar riktning abrupt. Som ett resultat ökar vridmomentet. Tyvärr, så snart riktningen ändras, har flödet redan en negativ effekt, eftersom det riktas tillbaka mot pumpbladen. Här kommer statorn till undsättning, vars roll är att ändra flödesriktningen, och det är detta element som förvandlar enheten till en vridmomentomvandlare. Den är designad på ett sådant sätt att den har en låsmekanism som håller den stillastående under detta tryck. Som en konsekvens av allt ovanstående, vid uppstart, den största ökningen av vridmoment. Även om flödet vänds med en viss hastighet, när dess omkretshastighet hos turbinen gradvis ökar i motsatt riktning, blir dess nettohastighet densamma som i turbinens riktning. För att förstå detta, föreställ dig att du kör en spårvagn i 30 km/h och du studsar tillbaka en boll i 20 km/h. I det här fallet passerar oljeflödet bakom statorbladen, dess blockering avaktiveras och den börjar rotera fritt, och när 90 procent av pumphastigheten uppnås, blir virvelflödet radiellt och ökningen av vridmomentet upphör. Således startar och accelererar bilen, men detta är alltid förknippat med förluster, även med moderna enheter. I moderna överföringar, kort efter start, stängs omvandlaren av, eller snarare, dess åtgärd blockeras med hjälp av den så kallade. låskoppling, vilket ökar transmissionens totala effektivitet. I hybridversioner, som ZF 8HP, ersätts den av en elmotor som ökar vridmomentet, och i vissa lösningar, som AMG 7G-DCT, ersätts omvandlaren av en uppsättning lamellkopplingar. Och ändå - för att optimera dynamiken i oljeflödet, i vissa fall har statorbladen en föränderlig attackvinkel, vilket, beroende på situationen, ändrar vridmomentet.

Uppsättning av planetväxlar

Som nämnts i föregående avsnitt valdes planetväxeln som den lämpligaste växeln på grund av dess förmåga att hantera olika växlar utan växlar eller synkronisatorer. Mekanismen är ett ringhjul (krona) med invändiga tänder, ett solhjul och planethjul som gnuggar det och kopplat till kronringen, som är anslutna till en gemensam styrning. När ett av elementen (krona, styr eller solhjul) är låst överförs vridmomentet mellan de andra två och utväxlingen beror på konstruktionen. Låselementen kan vara kopplingar eller bandbromsar och manövreras av hydrauliska ställdon mekaniskt i äldre transmissioner och elektroniskt styrda i nyare. Även tidiga automatiska växellådor som GM Hydra-Matic eller Chrysler Torque-Flite använde inte konventionella planetväxlar utan kompositkonstruktioner som Simpsons. Den senare är uppkallad efter sin skapare, den amerikanske ingenjören Howard Simpson, och inkluderar två helt identiska planetariska (epicykliska) växlar, i vilka en av delarna i den andra är kopplad till den första (till exempel en guide med ett solhjul). I det här fallet är fixeringselementen två lamellkopplingar, två bromsremmar samt en envägskoppling som ger direkt överföring av vridmoment. En tredje mekanism, som ger en så kallad överväxel, kan adderas separat till växellådan. Ett antal mer moderna konstruktioner använder en mer komplex än konventionell planetväxel, såsom Ravigneaux (uppkallad efter dess skapare, Paul Ravigneau), som kombineras med en och två standardväxlar för att öka antalet växlar till fem. Den innehåller en gemensam korona och en kombination av två olika typer av satelliter och solhjul, mellan vilka ännu mer komplexa energiflöden äger rum. ZF:s första 6-växlade automatiska växellåda, som introducerades 2002, använder Lepelletier-mekanismen (designern Paul Lepelletier), vilket resulterade i färre komponenter, mindre vikt och volym. Intelligensen hos moderna lösningar ligger främst i förmågan, tack vare datoranalys, att integrera mer kompakta låsmekanismer, axlar och växlar, vilket gör att fler element kan samverka och därför uppnå fler växlar.

I spetsen för 9 växlar: Mercedes 9G-Tronic.

Den nya Mercedes 9G-Tronic-växeln har ett växelförhållande (växelläge från första till nionde) på 9,15. Således utrustad med denna växellåda kan E 350 Bluetec färdas i nionde växeln i 120 km / h vid bara 1350 rpm. Förmågan att röra sig vid lägre hastigheter stöds också av en dubbel torsionsspjäll som ersätter svänghjulet, i kombination med en centrifugal pendelanordning. Även om den kan hantera upp till 1000 Nm vridmoment, är detta drivlina, baserat på ett stort antal datasimuleringar, lättare och mer kompakt än tidigare. Det tvådelade huset är tillverkat av aluminium i den hydrodynamiska vridmomentomvandlaren och magnesiumlegeringar i övrigt med ett polymer vevhus. Många analyser utfördes innan möjligheten att realisera nio växlar med endast fyra planetväxlar uppnåddes. Denna transmission kommer att användas i stor utsträckning i andra tvärmonterade modeller, och DSG kommer att användas för kompakta modeller.

Fantastisk rekyl ZF: 9HP

Rötterna till 9HP kan spåras tillbaka till 2006 när ZF bestämde sig för att återvända till det tvärgående segmentet (tidigare produkter var fyrväxlade och CVT-transmissioner, som avbröts i slutet av 90-talet). Det tar vanligtvis cirka 4 år att utvecklas, men företaget vill inte att de ska komma tillbaka med en 6-växlad automat eftersom de redan finns. Det faktum att företaget tar sju år att slutföra målet talar om det enorma designarbetet som gjordes för att skapa denna överföring. Lösningen är en otroligt högteknologisk lösning som, även i 7 Nm-versionen, bara väger 480 kg. Tack vare den nya växellådan minskar bränsleförbrukningen med cirka 86 procent jämfört med en 10-växlad växellåda, och vid en konstant hastighet på 6 km / h är minskningen 120 procent. Intelligent arkitektur inkluderar placering av fyra planetväxlar inbäddade i varandra och tillägg av ytterligare stiftkontakter som har mindre kvarvarande friktion när de är öppna. Ett dämpningssystem i flera steg har lagts till i momentomvandlaren.

Text: Georgy Kolev