Probefahrt Die Geschichte der Automobilgetriebe - Teil 1

In einer Artikelserie erzählen wir Ihnen die Geschichte der Getriebe für Pkw und Lkw – vielleicht als Anspielung auf den 75. Jahrestag der Entstehung des ersten Automatikgetriebes.

1993 Während der Tests vor dem Rennen in Silverstone verließ Williams-Testfahrer David Coulthard die Strecke für den nächsten Test im neuen Williams FW 15C. Auf nasser Fahrbahn spritzt das Auto überall hin, aber trotzdem kann jeder das seltsame monotone Highspeed-Geräusch eines Zehnzylindermotors hören. Offensichtlich verwendet Frank William eine andere Art der Übertragung. Dem Aufgeklärten ist klar, dass dies nichts anderes ist als ein stufenloses Getriebe, das auf die Bedürfnisse eines Formel-1-Motors ausgelegt ist.Später stellte sich heraus, dass es mit Hilfe der allgegenwärtigen Van Doorn-Spezialisten entwickelt wurde. Übertragung von Infektionen. Die beiden verschworenen Unternehmen haben in den letzten vier Jahren enorme technische und finanzielle Ressourcen in dieses Projekt gesteckt, um einen voll funktionsfähigen Prototyp zu schaffen, der die Regeln der Dynamik in der Sportkönigin neu schreiben könnte. Im YouTube-Video können Sie heute die Tests dieses Modells sehen, und Coulthard selbst behauptet, dass er ihre Arbeit mag - besonders in der Ecke, wo man keine Zeit mit dem Herunterschalten verschwenden muss - alles wird von der Elektronik erledigt. Leider haben alle, die an dem Projekt gearbeitet haben, die Früchte ihrer Arbeit verloren. Der Gesetzgeber hat die Verwendung solcher Pässe in der Formel schnell verboten, angeblich aufgrund eines "unfairen Vorteils". Die Regeln wurden geändert und Keilriemen-CVT oder CVT-Getriebe waren mit nur diesem kurzen Auftritt Geschichte. Der Fall ist abgeschlossen und Williams soll zu halbautomatischen Getrieben zurückkehren, die in der Formel 1 immer noch Standard sind und die wiederum Ende der 80er Jahre zur Revolution wurden. Übrigens versuchte DAF mit dem Variomatic-Getriebe bereits 1965, in die Motorsportstrecke einzusteigen, aber damals war der Mechanismus so massiv, dass er auch ohne das Eingreifen subjektiver Faktoren zum Scheitern verurteilt war. Aber das ist eine andere Geschichte.

Wir haben immer wieder Beispiele dafür angeführt, wie viel Innovation in der modernen Automobilindustrie das Ergebnis alter Ideen ist, die in den Köpfen hochbegabter und anspruchsvoller Menschen geboren wurden. Getriebe sind aufgrund ihrer mechanischen Natur eines der besten Beispiele dafür, wie sie zum richtigen Zeitpunkt eingesetzt werden können. Die Kombination aus fortschrittlichen Materialien und Fertigungsverfahren sowie E-Government hat heute die Möglichkeit für unglaublich effektive Lösungen in allen Übertragungsformen geschaffen. Der Trend zu geringerem Verbrauch einerseits und die Spezifität neuer Motoren mit reduzierten Abmessungen (z. eine große Anzahl von Gängen. Ihre günstigeren Alternativen sind CVTs für Kleinwagen, die häufig von japanischen Autoherstellern verwendet werden, und automatische Schaltgetriebe wie Easytronic. Opel (auch für Kleinwagen). Die Mechanismen von Parallelhybridsystemen sind spezifisch, und im Rahmen der Bemühungen zur Emissionsreduzierung erfolgt die Elektrifizierung des Antriebs tatsächlich in Getrieben.

Ein Motor kann nicht ohne Getriebe auskommen

Bis heute hat die Menschheit keinen effizienteren Weg zur direkten Übertragung mechanischer Energie (außer natürlich Hydraulikmechanismen und hybriden elektrischen Systemen) erfunden als Verfahren unter Verwendung von Riemen, Ketten und Zahnrädern. Natürlich gibt es unzählige Variationen zu diesem Thema, und Sie können ihre Essenz besser verstehen, indem Sie die herausragendsten Entwicklungen in diesem Bereich in den letzten Jahren auflisten.

Das Konzept des elektronischen Schaltens oder der elektronischen indirekten Verbindung des Steuermechanismus mit dem Getriebe ist noch lange nicht der letzte Schrei, denn 1916 entwickelte die Firma Pullman aus Pennsylvania ein Getriebe, das elektrisch schaltet. Nach dem gleichen Funktionsprinzip in verbesserter Form wurde es zwanzig Jahre später in den avantgardistischen Cord 812 eingebaut - eines der futuristischsten und wunderbarsten Autos nicht nur in seiner Entstehungszeit 1936. Es ist bezeichnend genug, dass diese Kordel auf dem Cover eines Buches über die Errungenschaften des Industriedesigns zu finden ist. Sein Getriebe überträgt das Drehmoment vom Motor auf die Vorderachse (!), und die Schaltung ist direkt filigran für die damalige Darstellung der Lenksäule, die spezielle elektrische Schalter aktiviert, die ein komplexes System elektromagnetischer Geräte mit Vakuummembranen einschließlich Zahnrädern aktivieren. All dies ist den Schnurdesignern gelungen zu kombinieren, und das funktioniert nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis hervorragend. Es war ein wahrer Albtraum, die Synchronisation zwischen Gangschaltung und Kupplungsbetätigung herzustellen, und nach damaligen Erkenntnissen war es möglich, einen Mechaniker in eine psychiatrische Klinik zu schicken. Der Cord war jedoch ein Luxusauto, und seine Besitzer konnten sich die lässige Einstellung vieler moderner Hersteller zur Genauigkeit dieses Prozesses nicht leisten - in der Praxis schalten die meisten automatisierten (oft als Roboter- oder Halbautomatik bezeichneten) Getriebe mit einer charakteristischen Verzögerung. und oft Böen.

Niemand behauptet, dass die Synchronisierung mit den einfacheren und weiter verbreiteten manuellen Getrieben heute eine viel einfachere Aufgabe ist, denn die Frage "Warum ist es überhaupt notwendig, ein solches Gerät zu verwenden?" Hat fundamentalen Charakter. Der Grund für dieses komplexe Ereignis, aber auch die Erschließung einer Geschäftsnische für Milliarden, liegt in der Natur des Verbrennungsmotors. Anders als beispielsweise bei einer Dampfmaschine, bei der sich der Druck des den Zylindern zugeführten Dampfes relativ leicht ändern kann und sich sein Druck beim Anfahren und im Normalbetrieb ändern kann, oder bei einem Elektromotor, bei dem ein starkes treibendes Magnetfeld auftritt existiert auch bei Drehzahl Null pro Minute (tatsächlich ist es dann am höchsten, und aufgrund der Abnahme des Wirkungsgrads von Elektromotoren mit zunehmender Drehzahl entwickeln alle Hersteller von Getrieben für Elektrofahrzeuge derzeit zweistufige Optionen) eine interne Verbrennungsmotor hat eine Charakteristik, bei der die maximale Leistung bei Drehzahlen nahe dem Maximum und das maximale Drehmoment in einem relativ kleinen Drehzahlbereich erreicht wird, in dem die optimalsten Verbrennungsprozesse stattfinden. Es sollte auch beachtet werden, dass der Motor im wirklichen Leben selten auf der Kurve des maximalen Drehmoments (entsprechend auf der Kurve der maximalen Leistungsentwicklung) verwendet wird. Leider ist das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen minimal, und wenn das Getriebe selbst bei einer Kupplung, die auskuppelt und den Start ermöglicht, direkt angeschlossen ist, kann das Auto niemals Aktivitäten wie Starten, Beschleunigen und Fahren in einem weiten Geschwindigkeitsbereich ausführen. Hier ist ein einfaches Beispiel: Wenn der Motor seine Geschwindigkeit 1: 1 überträgt und die Reifengröße 195/55 R 15 beträgt (vorerst abstrahiert vom Vorhandensein des Hauptgetriebes), sollte sich das Auto theoretisch mit einer Geschwindigkeit von bewegen 320km. / h bei 3000 Kurbelwellenumdrehungen pro Minute. Natürlich haben Autos direkte oder enge Gänge und sogar Raupengänge. In diesem Fall kommt auch der Achsantrieb in die Gleichung und muss berücksichtigt werden. Wenn wir jedoch die ursprüngliche Logik des Denkens über das Fahren mit einer normalen Geschwindigkeit von 60 km / h in der Stadt fortsetzen, benötigt der Motor nur 560 U / min. Natürlich gibt es keinen Motor, der eine solche Schnur ausführen kann. Es gibt noch ein Detail - denn rein physikalisch ist die Leistung direkt proportional zu Drehmoment und Geschwindigkeit (ihre Formel kann auch als Geschwindigkeit x Drehmoment / ein bestimmter Koeffizient definiert werden) und die Beschleunigung eines physischen Körpers hängt von der auf ihn ausgeübten Kraft ab . Verstehen Sie, in diesem Fall ist die Leistung logisch, dass Sie für eine schnellere Beschleunigung höhere Geschwindigkeiten und eine größere Last benötigen (d. h. Drehmoment). Es klingt kompliziert, aber in der Praxis bedeutet dies Folgendes: Jeder Fahrer, auch wenn er nichts in der Technologie versteht, weiß, dass man ein oder sogar zwei Gänge tiefer schalten muss, um ein Auto schnell zu überholen. Somit liefert es mit dem Getriebe sofort höhere Drehzahlen und damit mehr Leistung für diesen Zweck bei gleichem Pedaldruck. Dies ist die Aufgabe dieses Geräts - unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Verbrennungsmotors, um dessen Betrieb im optimalen Modus sicherzustellen. Das Fahren im ersten Gang mit einer Geschwindigkeit von 100 km / h ist ziemlich unwirtschaftlich, und im sechsten, für die Strecke geeignet, ist es unmöglich, loszulegen. Es ist kein Zufall, dass wirtschaftliches Fahren frühzeitiges Schalten erfordert und der Motor bei Volllast läuft (d. H. Etwas unterhalb der maximalen Drehmomentkurve fährt). Experten verwenden den Begriff "niedriger spezifischer Stromverbrauch", der im mittleren Drehzahlbereich und nahe an der Maximallast liegt. Dann öffnet sich die Drosselklappe von Benzinmotoren weiter und reduziert Pumpverluste, erhöht den Zylinderdruck und verbessert dadurch die Qualität chemischer Reaktionen. Niedrigere Geschwindigkeiten verringern die Reibung und lassen mehr Zeit, um sich vollständig zu füllen. Rennwagen fahren immer mit hohen Geschwindigkeiten und haben eine große Anzahl von Gängen (acht in der Formel 1), was eine geringere Geschwindigkeit beim Schalten ermöglicht und den Übergang zu Bereichen mit deutlich geringerer Leistung begrenzt.

Tatsächlich kann es auf ein klassisches Getriebe verzichten, aber ...

Der Fall von Hybridsystemen und insbesondere Hybridsystemen wie dem Toyota Prius. Dieses Auto hat kein Getriebe eines der aufgeführten Typen. Es hat praktisch kein Getriebe! Dies ist möglich, weil die oben genannten Mängel durch das Bordnetz kompensiert werden. Das Getriebe wird durch einen sogenannten Power Splitter ersetzt, ein Planetengetriebe, das einen Verbrennungsmotor und zwei E-Maschinen kombiniert. Für Leute, die die selektive Erklärung seiner Funktionsweise in Büchern über Hybridsysteme und insbesondere über die Erstellung des Prius (letztere sind auf der Online-Version unserer Website ams.bg verfügbar) nicht gelesen haben, werden wir nur sagen, dass der Mechanismus dies zulässt ein Teil der mechanischen Energie des Verbrennungsmotors, der direkt, mechanisch und teilweise, in elektrische (mit Hilfe einer Maschine als Generator) und wieder in mechanische (mit Hilfe einer anderen Maschine als Elektromotor) umgewandelt werden soll . Das Geniale an dieser Kreation von Toyota (dessen ursprüngliche Idee die amerikanische Firma TRW aus den 60er Jahren war) besteht darin, ein hohes Startdrehmoment bereitzustellen, das die Notwendigkeit sehr niedriger Gänge vermeidet und es dem Motor ermöglicht, in effizienten Modi zu arbeiten. bei maximaler Last, wobei der höchstmögliche Gang simuliert wird, wobei das elektrische System immer als Puffer fungiert. Wenn eine Beschleunigungssimulation und ein Herunterschalten erforderlich sind, wird die Motordrehzahl erhöht, indem der Generator und dementsprechend seine Drehzahl unter Verwendung eines ausgeklügelten elektronischen Stromsteuersystems gesteuert werden. Bei der Simulation hoher Gänge müssen sogar zwei Autos die Rollen tauschen, um die Drehzahl des Motors zu begrenzen. An diesem Punkt geht das System in den Modus "Leistungsumlauf" und seine Effizienz wird erheblich reduziert, was die scharfe Anzeige des Kraftstoffverbrauchs dieser Art von Hybridfahrzeugen bei hohen Geschwindigkeiten erklärt. Somit ist diese Technologie in der Praxis ein für den Stadtverkehr günstiger Kompromiss, da offensichtlich das elektrische System das Fehlen eines klassischen Getriebes nicht vollständig kompensieren kann. Um dieses Problem zu lösen, verwenden die Honda-Ingenieure eine einfache, aber geniale Lösung in ihrem neuen hochentwickelten Hybrid-Hybridsystem, um mit Toyota zu konkurrieren – sie fügen einfach ein sechstes Schaltgetriebe hinzu, das anstelle des Hochgeschwindigkeits-Hybridmechanismus eingreift. All dies mag überzeugend genug sein, um die Notwendigkeit eines Getriebes aufzuzeigen. Natürlich möglichst mit einer großen Anzahl von Gängen - Tatsache ist, dass es bei manueller Steuerung für den Fahrer einfach nicht bequem ist, eine große Anzahl zu haben, und der Preis steigt. Derzeit sind 7-Gang-Schaltgetriebe, wie sie bei Porsche (auf DSG-Basis) und Chevrolet Corvettes zu finden sind, eher selten.

Alles beginnt mit Ketten und Riemen

Unterschiedliche Bedingungen erfordern daher bestimmte Werte der erforderlichen Leistung, abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment. In dieser Gleichung wird das Erfordernis eines effizienten Motorbetriebs und eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs neben der modernen Motorentechnologie zu einer immer wichtigeren Herausforderung.

Das erste Problem, das dabei auftaucht, ist natürlich das Anfahren – in den ersten Pkw war die häufigste Getriebeform ein Kettenantrieb, dem Fahrrad entlehnt, oder ein Riemenantrieb, der auf Riemenscheiben unterschiedlichen Durchmessers wirkte. In der Praxis gab es beim Riemenantrieb keine bösen Überraschungen. Er war nicht nur so laut wie seine Kettenpartner, sondern konnte auch keine Zähne ausbrechen, was von den primitiven Getrieben bekannt war, die Autofahrer damals als „Getriebesalat“ bezeichneten. Seit der Jahrhundertwende werden Experimente mit dem sogenannten "Reibradantrieb" durchgeführt, der keine Kupplung und kein Getriebe hat und Nissan und Mazda in ihren Toroid-Getrieben verwendet (auf die später noch eingegangen wird). Allerdings hatten die Alternativen zu Zahnrädern auch einige gravierende Nachteile: Die Riemen hielten längerer Belastung und steigenden Geschwindigkeiten nicht stand, lösten sich schnell und rissen, und die „Beläge“ der Reibräder verschleißten zu schnell. Ohnehin wurden kurz nach den Anfängen der Automobilindustrie Getriebe notwendig und blieben zu diesem Zeitpunkt für längere Zeit die einzige Möglichkeit, Drehmomente zu übertragen.

Die Geburt eines mechanischen Getriebes

Leonardo da Vinci entwarf und fertigte Zahnräder für seine Mechanismen, aber die Herstellung von starken, einigermaßen genauen und langlebigen Zahnrädern wurde erst 1880 dank der Verfügbarkeit geeigneter metallurgischer Technologien zur Herstellung hochwertiger Stähle und Metallbearbeitungsmaschinen möglich. relativ hohe Arbeitsgenauigkeit. Reibungsverluste in Getrieben werden auf nur 2 Prozent reduziert! Dies war der Moment, in dem sie als Element des Getriebes unverzichtbar wurden, aber das Problem blieb mit ihrer Vereinheitlichung und Platzierung im Gesamtmechanismus. Ein Beispiel für eine innovative Lösung ist der Daimler Phoenix von 1897, bei dem Zahnräder unterschiedlicher Größe zu einem nach heutigem Verständnis realen Getriebe „zusammengebaut“ wurden, das neben vier Gängen auch über einen Rückwärtsgang verfügt. Zwei Jahre später nutzte Packard als erstes Unternehmen die bekannte Positionierung des Schalthebels am Ende des Buchstabens „H“. In den folgenden Jahrzehnten gab es die Zahnräder nicht mehr, aber die Mechanismen wurden im Namen der Arbeitserleichterung immer weiter verbessert. Carl Benz, der seine ersten Serienwagen mit einem Planetengetriebe ausstattete, überlebte die ersten Synchrongetriebe von Cadillac und La Salle 1929. Zwei Jahre später waren Synchronisatoren bereits bei Mercedes, Mathis, Maybach und Horch im Einsatz, dann noch bei Vauxhall, Ford und Rolls-Royce. Ein Detail - alle hatten einen unsynchronisierten ersten Gang, was die Fahrer sehr ärgerte und besondere Fähigkeiten erforderte. Das erste vollsynchronisierte Getriebe wurde im Oktober 1933 vom Engländer Alvis Speed ​​Twenty verwendet und wurde von der bekannten deutschen Firma geschaffen, die noch immer den Namen "Gear Factory" ZF trägt, auf den wir in unserer Geschichte oft Bezug nehmen werden. Es dauerte bis Mitte der 30er Jahre, bis Synchronisatoren bei anderen Marken installiert wurden, aber in billigeren Autos und Lastwagen hatten die Fahrer weiterhin Probleme mit dem Schalthebel, um die Gänge zu bewegen und zu schalten. Tatsächlich wurde eine Lösung für das Problem dieser Art von Unannehmlichkeiten viel früher mit Hilfe verschiedener Getriebestrukturen gesucht, die auch darauf abzielten, Zahnradpaare ständig zu kämmen und sie mit der Welle zu verbinden - in der Zeit von 1899 bis 1910, De Dion Bouton ein interessantes Getriebe entwickelt, bei dem die Zahnräder ständig in Eingriff stehen und ihre Verbindung mit der Sekundärwelle über kleine Kupplungen erfolgt. Panhard-Levasseur hatte eine ähnliche Entwicklung, aber bei dieser Entwicklung wurden permanent eingerückte Zahnräder über Stifte fest mit der Welle verbunden. Die Designer haben natürlich nicht aufgehört, darüber nachzudenken, wie man es den Fahrern erleichtern und Autos vor unnötigen Schäden schützen kann. Im Jahr 1914 beschlossen Cadillac-Ingenieure, die Kraft ihrer riesigen Motoren zu nutzen und Autos mit einem verstellbaren Achsantrieb auszustatten, der elektrisch schalten und die Übersetzung von 4,04: auf 2,5: 1 ändern konnte.

Die 20er und 30er Jahre waren eine Zeit unglaublicher Erfindungen, die Teil der stetigen Anhäufung von Wissen über die Jahre sind. So entwickelte die französische Firma Cotal 1931 ein elektromagnetisch geschaltetes Schaltgetriebe, das über einen kleinen Hebel am Lenkrad gesteuert wurde, der wiederum mit einem kleinen Leerlaufhebel kombiniert wurde, der auf dem Boden platziert war. Wir erwähnen letzteres Merkmal, weil es dem Auto ermöglicht, genau so viele Vorwärtsgänge wie vier Rückwärtsgänge zu haben. Damals interessierten sich angesehene Marken wie Delage, Delahaye, Salmson und Voisin für Kotals Erfindung. Zusätzlich zu dem oben erwähnten bizarren und vergessenen "Vorteil" vieler moderner Getriebe mit Hinterradantrieb hat dieses unglaubliche Getriebe auch die Fähigkeit, mit einer Fleschel-Schaltautomatik zu "interagieren", die die Gänge schaltet, wenn die Geschwindigkeit aufgrund der Motorlast abfällt und tatsächlich ist einer der ersten Versuche, Prozesse zu automatisieren.

Die meisten Autos aus den 40er und 50er Jahren hatten drei Gänge, da die Motoren nicht mehr als 4000 U / min entwickelten. Mit der Erhöhung der Drehzahl-, Drehmoment- und Leistungskurven deckten die drei Gänge den Drehzahlbereich nicht mehr ab. Das Ergebnis war eine disharmonische Bewegung mit einem charakteristischen "atemberaubenden" Getriebe beim Heben und übermäßigem Antrieb beim Schalten auf ein niedrigeres. Die logische Lösung des Problems war die massive Umstellung auf ein Vierganggetriebe in den 60er Jahren, und die ersten Fünfganggetriebe in den 70er Jahren waren ein wichtiger Meilenstein für Hersteller, die stolz das Vorhandensein eines solchen Getriebes zusammen mit dem Modellbild auf dem Auto bemerkten. Kürzlich erzählte mir der Besitzer eines klassischen Opel Commodore, dass das Auto beim Kauf in drei Gängen und durchschnittlich 3 l / 20 km gefahren sei. Als er das Getriebe gegen ein Vierganggetriebe austauschte, betrug der Verbrauch 100 l / 15 km, und nachdem er schließlich einen Fünfgang bekam, sank dieser auf 100 Liter.

Heutzutage gibt es praktisch keine Autos mit weniger als fünf Gängen, und sechs Gänge werden in höheren Versionen von Kompaktmodellen zur Norm. Die sechste Idee ist in den meisten Fällen eine starke Geschwindigkeitsreduzierung bei hohen Drehzahlen, und in einigen Fällen, wenn sie nicht so lang ist und die Geschwindigkeitsreduzierung beim Schalten abnimmt. Mehrstufige Getriebe wirken sich besonders positiv auf Dieselmotoren aus, deren Einheiten ein hohes Drehmoment, aber aufgrund der grundsätzlichen Natur des Dieselmotors einen deutlich reduzierten Betriebsbereich aufweisen.

(Folgen)

Text: Georgy Kolev