Testkørsel Historien om biltransmissioner - del 1

I en række artikler vil vi fortælle dig om historien om transmissioner til personbiler og lastbiler - måske som et nik i anledningen af ​​75-året for skabelsen af ​​den første automatgearkasse.

1993 Under test før løbet på Silverstone forlod Williams testkører David Coulthard banen til den næste test i den nye Williams FW 15C. På vådt fortov sprøjter bilen overalt, men alligevel kan alle høre den mærkelige monotone højhastighedslyd af en ti-cylindret motor. Det er klart, Frank William bruger en anden form for transmission. Det er klart for de oplyste, at der ikke er tale om andet end en trinløs gearkasse designet til at imødekomme behovene for en Formel 1-motor. Senere viste det sig, at den blev udviklet med hjælp fra de allestedsnærværende Van Doorn-specialister. overførsel af infektion. De to konspirerende virksomheder har hældt enorme tekniske og økonomiske ressourcer i dette projekt i løbet af de sidste fire år for at skabe en fuldt funktionel prototype, der kunne omskrive dynamikkens regler i sportsdronningen. I YouTube-videoen i dag kan du se testene af denne model, og Coulthard hævder selv, at han godt kan lide hendes arbejde - især i hjørnet, hvor der ikke er behov for at spilde tid med at skifte ned - alt bliver sørget for af elektronik. Desværre mistede alle, der arbejdede på projektet, frugterne af deres arbejde. Lovgivere var hurtige til at forbyde brugen af ​​sådanne pas i Formel, angiveligt på grund af "uretfærdig fordel". Reglerne blev ændret, og CVT- eller CVT-transmissioner med kilerem var historie med kun denne korte optræden. Sagen er lukket, og Williams skulle vende tilbage til halvautomatiske gearkasser, som stadig er standard i Formel 1, og som til gengæld blev en revolution i slutningen af ​​80'erne. I øvrigt, tilbage i 1965, gjorde DAF med Variomatic transmissionen forsøg på at komme ind på motorsportsbanen, men på det tidspunkt var mekanismen så massiv, at den selv uden indblanding af subjektive faktorer var dømt til at mislykkes. Men det er en anden historie.

Vi har gentagne gange anført eksempler på, hvor meget innovation i den moderne bilindustri er resultatet af gamle ideer, der er født i hovederne på ekstremt begavede og kræsne mennesker. På grund af deres mekaniske karakter er gearkasser et af de bedste eksempler på, hvordan de kan implementeres, når tiden er inde. I dag har kombinationen af ​​avancerede materialer og fremstillingsprocesser og e-forvaltning skabt mulighed for utroligt effektive løsninger inden for alle former for transmission. Tendensen til lavere forbrug på den ene side og specificiteten af ​​nye motorer med reducerede dimensioner (f.eks. Behovet for hurtigt at overvinde et turbohul) fører til behovet for at oprette automatgear med et bredere udvalg af gearforhold og følgelig et stort antal gear. Deres billigere alternativer er CVT'er til små biler, der ofte bruges af japanske bilproducenter, og automatiske manuelle gearkasser som Easytronic. Opel (også til små biler). Mekanismerne for parallelle hybridsystemer er specifikke, og som led i emissionsreduktionsindsatsen sker drivelektrifikation faktisk i transmissioner.

En motor kan ikke klare sig uden en gearkasse

Hidtil har menneskeheden ikke opfundet en mere effektiv måde til direkte transmission af mekanisk energi (undtagen naturligvis hydrauliske mekanismer og hybride elektriske systemer) end metoder, der bruger bælter, kæder og gear. Selvfølgelig er der utallige variationer om dette emne, og du kan bedre forstå deres essens ved at nævne de mest fremragende udviklinger inden for dette område i de senere år.

Konceptet med elektronisk gearskifte, eller elektronisk indirekte forbindelse af styremekanismen til gearkassen, er langt fra det sidste råb, for i 1916 skabte Pullman-firmaet i Pennsylvania en gearkasse, der skifter gear elektrisk. Ved at bruge det samme arbejdsprincip i en forbedret form blev den tyve år senere installeret i den avantgardistiske Cord 812 - en af ​​de mest futuristiske og vidunderlige biler, ikke kun i 1936, da den blev skabt. Det er vigtigt nok, at denne ledning kan findes på forsiden af ​​en bog om resultaterne af industrielt design. Dens transmission overfører drejningsmoment fra motoren til forakslen (!), og gearskiftet er direkte filigran for den daværende repræsentation af ratstammen, som aktiverer specielle elektriske kontakter, der aktiverer et komplekst system af elektromagnetiske enheder med vakuummembraner, inklusive gear. Ledningsdesignere formåede at kombinere alt dette med succes, og det fungerer godt, ikke kun i teorien, men også i praksis. Det var et sandt mareridt at oprette synkronisering mellem gearskifte og koblingsbetjening, og ifølge datidens vidnesbyrd var det muligt at sende en mekaniker til et psykiatrisk hospital. Cord var imidlertid en luksusbil, og dens ejere havde ikke råd til mange moderne producenters afslappede holdning til nøjagtigheden af ​​denne proces - i praksis skifter de fleste automatiserede (ofte kaldet robot- eller halvautomatiske) transmissioner med en karakteristisk forsinkelse, og ofte vindstød.

Ingen påstår, at synkronisering er en meget nemmere opgave med de enklere og mere udbredte manuelle gearkasser i dag, fordi spørgsmålet "Hvorfor er det overhovedet nødvendigt at bruge sådan en enhed?" Har en grundlæggende karakter. Årsagen til denne komplekse begivenhed, men også åbningen af ​​en forretningsniche for milliarder, ligger i selve forbrændingsmotorens natur. I modsætning til f.eks. en dampmaskine, hvor trykket af den damp, der tilføres til cylindrene, kan ændre sig relativt let, og dens tryk kan ændre sig under opstart og normal drift, eller fra en elmotor, hvor et stærkt drivende magnetfelt eksisterer også ved hastighed nul. i minuttet (faktisk er det den højeste, og på grund af faldet i effektiviteten af ​​elektriske motorer med stigende hastighed, udvikler alle producenter af transmissioner til elektriske køretøjer i øjeblikket to-trins muligheder) en intern Forbrændingsmotor har en karakteristik, hvor maksimal effekt opnås ved hastigheder tæt på maksimum, og det maksimale drejningsmoment - i et relativt lille hastighedsområde, hvor de mest optimale forbrændingsprocesser forekommer. Det skal også bemærkes, at i virkeligheden bruges motoren sjældent på den maksimale drejningsmomentkurve (tilsvarende på den maksimale effektudviklingskurve). Desværre er drejningsmomentet ved lave omdrejninger minimalt, og hvis transmissionen er direkte forbundet, selv med en kobling, der frigøres og muliggør start, vil bilen aldrig være i stand til at udføre aktiviteter som start, acceleration og kørsel i et bredt hastighedsområde. Her er et simpelt eksempel - hvis motoren transmitterer sin hastighed 1:1, og dækstørrelsen er 195/55 R 15 (for nu, abstraheret fra tilstedeværelsen af ​​hovedgearet), så skal bilen teoretisk bevæge sig med en hastighed på 320 km. / t ved 3000 krumtapakselomdrejninger pr. minut. Naturligvis har biler direkte eller tæt gear og endda larvebånd, i hvilket tilfælde det endelige drev også kommer i ligningen og skal tages i betragtning. Men hvis vi fortsætter den oprindelige logik med ræsonnement om kørsel med en normal hastighed på 60 km / t i byen, behøver motoren kun 560 omdrejninger pr. Minut. Selvfølgelig er der ingen motor, der er i stand til at gøre sådan et garn. Der er en detalje mere - fordi, rent fysisk, er effekt direkte proportional med drejningsmoment og hastighed (dens formel kan også defineres som hastighed x drejningsmoment / en vis koefficient), og accelerationen af ​​et fysisk legeme afhænger af den kraft, der påføres det . , forstå, i dette tilfælde kraften, det er logisk, at for hurtigere acceleration har du brug for højere hastigheder og mere belastning (dvs. drejningsmoment). Det lyder kompliceret, men i praksis betyder det følgende: enhver chauffør, selv en, der ikke forstår noget inden for teknologi, ved, at for at hurtigt overhale en bil skal du skifte et eller endda to gear lavere. Det er således med gearkassen, at den øjeblikkeligt leverer højere omdrejninger og derfor mere kraft til dette formål med det samme pedaltryk. Dette er opgaven for denne enhed - under hensyntagen til egenskaberne ved forbrændingsmotoren for at sikre dens drift i den optimale tilstand. Kørsel i første gear med en hastighed på 100 km / t vil være ret uøkonomisk, og i det sjette, der er egnet til sporet, er det umuligt at komme i gang. Det er ikke tilfældigt, at økonomisk kørsel kræver tidlige gearskift, og at motoren kører ved fuld belastning (dvs. kører lidt under den maksimale drejningsmomentkurve). Eksperter bruger udtrykket "lavt specifikt energiforbrug", som ligger i det midterste omdrejningsområde og tæt på den maksimale belastning. Derefter åbnes gasventilens gasventil bredere og reducerer pumpetab, øger cylindertrykket og forbedrer derved kvaliteten af ​​kemiske reaktioner. Lavere hastigheder reducerer friktionen og giver mere tid til at fylde helt op. Racerbiler kører altid med høje hastigheder og har et stort antal gear (otte i formel 1), hvilket giver mulighed for reduceret hastighed ved skift og begrænser overgangen til områder med betydeligt mindre effekt.

Faktisk kan det klare sig uden en klassisk gearkasse, men ...

Tilfældet med hybridsystemer og især hybridsystemer som Toyota Prius. Denne bil har ikke transmission af nogen af ​​de anførte typer. Den har stort set ingen gearkasse! Dette er muligt, fordi de førnævnte mangler udlignes af det elektriske system. Transmissionen er erstattet af en såkaldt power splitter, et planetgear, der kombinerer en forbrændingsmotor og to elektriske maskiner. For folk, der ikke har læst den selektive forklaring af dens drift i bøger om hybridsystemer og især om oprettelsen af ​​Prius (sidstnævnte er tilgængelige på onlineversionen af ​​vores websted ams.bg), vil vi kun sige, at mekanismen tillader en del af forbrændingsmotorens mekaniske energi, der skal overføres direkte, mekanisk og delvist, omdannes til elektrisk (ved hjælp af en maskine som generator) og igen til mekanisk (ved hjælp af en anden maskine som en elektrisk motor) . Det geniale ved denne skabelse af Toyota (hvis oprindelige idé var det amerikanske firma TRW fra 60'erne) er at give et højt startmoment, som undgår behovet for meget lave gear og tillader motoren at fungere i effektive tilstande. ved maksimal belastning, simulerer det højest mulige gear, hvor det elektriske system altid fungerer som en buffer. Når simulering af acceleration og nedgearing er påkrævet, øges motorhastigheden ved at styre generatoren og følgelig med dens hastighed ved hjælp af et sofistikeret elektronisk strømstyringssystem. Når man simulerer høje gear, skal selv to biler skifte roller for at begrænse motorens hastighed. På dette tidspunkt går systemet i "power circulation"-tilstand, og dets effektivitet reduceres betydeligt, hvilket forklarer den skarpe visning af brændstofforbruget for denne type hybridbiler ved høje hastigheder. Således er denne teknologi i praksis et kompromis, der er bekvemt for bytrafik, da det er indlysende, at det elektriske system ikke fuldt ud kan kompensere for fraværet af en klassisk gearkasse. For at løse dette problem bruger Hondas ingeniører en enkel, men genial løsning i deres nye sofistikerede hybridhybridsystem til at konkurrere med Toyota – de tilføjer blot en sjette manuel gearkasse, der går i indgreb i stedet for højhastighedshybridmekanismen. Alt dette kan være overbevisende nok til at vise behovet for en gearkasse. Selvfølgelig, hvis det er muligt med et stort antal gear - faktum er, at med manuel kontrol vil det simpelthen ikke være behageligt for føreren at have et stort antal, og prisen vil stige. I øjeblikket er 7-trins manuelle gearkasser som dem, der findes i Porsche (baseret på DSG) og Chevrolet Corvettes, ret sjældne.

Det hele starter med kæder og bælter

Så forskellige betingelser kræver visse værdier af den krævede effekt afhængigt af hastighed og drejningsmoment. Og i denne ligning bliver behovet for effektiv motordrift og reduceret brændstofforbrug ud over moderne motorteknologi, transmission en stadig vigtigere udfordring.

Det første problem, der opstår, er naturligvis at starte - i de første personbiler var den mest almindelige form for gearkasse et kædetræk, lånt fra en cykel, eller et remtræk, der virkede på remskiver med forskellige diametre. I praksis var der ingen ubehagelige overraskelser i remtrækket. Ikke alene var den lige så støjende som dens kædepartnere, men den kunne heller ikke knække tænder, hvilket var kendt fra de primitive gearmekanismer, som bilister dengang omtalte som "transmissionsalat". Siden århundredeskiftet er der blevet eksperimenteret med det såkaldte "friktionshjulstræk", som hverken har kobling eller gear, og som bruger Nissan og Mazda i deres toroidformede gearkasser (hvilket vil blive omtalt senere). Alternativerne til tandhjul havde dog også en række alvorlige ulemper - remmene kunne ikke modstå langvarige belastninger og stigende hastigheder, de blev hurtigt løse og revnede, og friktionshjulenes "puder" blev udsat for for hurtigt slid. Under alle omstændigheder, kort efter bilindustriens begyndelse, blev gear nødvendige og forblev den eneste mulighed på dette stadium til at overføre drejningsmoment i en ret lang periode.

Fødslen af ​​en mekanisk transmission

Leonardo da Vinci designede og fremstillede tandhjul til sine mekanismer, men produktionen af ​​stærke, rimelig nøjagtige og holdbare tandhjul blev først mulig i 1880 takket være tilgængeligheden af ​​passende metallurgiske teknologier til fremstilling af stål og metalbearbejdningsmaskiner af høj kvalitet. relativt høj arbejdsnøjagtighed. Friktionstab i gear reduceres til kun 2 procent! Dette var det øjeblik, hvor de blev uundværlige som en del af gearkassen, men problemet forblev med deres forening og placering i den generelle mekanisme. Et eksempel på en innovativ løsning er Daimler Phoenix fra 1897, hvor gear i forskellige størrelser blev "samlet" til en rigtig, efter nutidens forståelse, en gearkasse, som udover fire hastigheder også har et bakgear. To år senere blev Packard det første selskab, der brugte den velkendte positionering af gearstangen i enderne af bogstavet "H". I de følgende årtier var gearene ikke mere, men mekanismerne blev ved med at blive forbedret i navnet på lettere arbejde. Carl Benz, der udstyrede sine første produktionsbiler med en planetgearkasse, formåede at overleve udseendet af de første synkroniserede gearkasser skabt af Cadillac og La Salle i 1929. To år senere var synkronisatorer allerede i brug af Mercedes, Mathis, Maybach og Horch, og derefter en anden Vauxhall, Ford og Rolls-Royce. En detalje - alle havde et usynkroniseret første gear, hvilket irriterede chaufførerne meget og krævede specielle færdigheder. Den første fuldt synkroniserede gearkasse blev brugt af engelske Alvis Speed ​​Twenty i oktober 1933 og blev skabt af det berømte tyske firma, som stadig bærer navnet "Gear Factory" ZF, som vi ofte vil referere til i vores historie. Det var først i midten af ​​30'erne, at synkroniseringer begyndte at blive installeret på andre mærker, men i billigere biler og lastbiler kæmpede chaufførerne fortsat med gearstangen for at flytte og skifte gear. Faktisk blev en løsning på problemet med denne form for besvær søgt langt tidligere ved hjælp af forskellige transmissionsstrukturer, også rettet mod konstant at gribe gearpar og forbinde dem med akslen - i perioden fra 1899 til 1910, De Dion Bouton udviklet en interessant transmission, hvor gearene konstant er i indgreb, og deres forbindelse til den sekundære aksel udføres ved hjælp af små koblinger. Panhard-Levasseur havde en lignende udvikling, men i deres udvikling var fastkoblede gear fast forbundet med akslen ved hjælp af stifter. Designerne stoppede naturligvis ikke med at tænke på, hvordan de skulle gøre det lettere for chauffører og beskytte biler mod unødvendige skader. I 1914 besluttede Cadillac -ingeniører, at de kunne udnytte kraften i deres enorme motorer og udstyre biler med et justerbart slutdrev, der kunne skifte elektrisk og ændre gearforholdet fra 4,04: til 2,5: 1.

20'erne og 30'erne var en tid med utrolige opfindelser, som er en del af den konstante ophobning af viden gennem årene. For eksempel skabte det franske firma Cotal i 1931 en elektromagnetisk skiftet manuel gearkasse styret af et lille håndtag på rattet, som igen blev kombineret med et lille tomgangsgreb placeret på gulvet. Vi nævner sidstnævnte funktion, fordi den gør det muligt for bilen at have præcis lige så mange fremadgående gear, som der er fire bakgear. På det tidspunkt var prestigefyldte mærker som Delage, Delahaye, Salmson og Voisin interesserede i Kotals opfindelse. Ud over den førnævnte bizarre og glemte "fordel" ved mange moderne baghjulsdrevne gear, har denne utrolige gearkasse også evnen til at "interagere" med en Fleschel automatisk skifter, der skifter gear, når hastigheden falder på grund af motorbelastning og er faktisk et af de første forsøg på at automatisere processen.

De fleste biler fra 40'erne og 50'erne havde tre gear, fordi motorerne ikke udviklede mere end 4000 omdr./min. Med stigningen i omdrejningstal, drejningsmoment og effektkurver dækkede de tre gear ikke længere omdrejningsområdet. Resultatet var en uharmonisk bevægelse med en karakteristisk "bedøvende" transmission, når man løfter og overdreven kraft, når man skifter til en lavere. Den logiske løsning på problemet var det massive skift til en fire-trins gearkasse i 60'erne, og de første fem-trins gearkasser i 70'erne var en vigtig milepæl for producenter, der stolt bemærkede tilstedeværelsen af ​​en sådan gearkasse sammen med modelbillede på bilen. For nylig fortalte ejeren af ​​en klassisk Opel Commodore mig, at da han købte bilen, var den i 3 gear og var i gennemsnit 20 l / 100 km. Da han udskiftede gearkassen med en fire-trins gearkasse, var forbruget 15 l / 100 km, og efter at han endelig fik en fem-trins, faldt sidstnævnte til 10 liter.

I dag er der næsten ingen biler med mindre end fem gear, og seks hastigheder bliver normen i højere versioner af kompakte modeller. Den sjette idé er i de fleste tilfælde en stærk reduktion i hastighed ved høje omdrejninger, og i nogle tilfælde, når den ikke er så lang, og hastighedsreduktionen falder, når du skifter. Flertrinsgearkasser har en særlig positiv effekt på dieselmotorer, hvis enheder har et højt drejningsmoment, men et markant reduceret driftsområde på grund af dieselmotorens grundlæggende natur.

(at følge)

Tekst: Georgy Kolev