Koeajo Autojen voimansiirtojen historia - Osa 1

Artikkelisarjassa kerromme sinulle henkilö- ja kuorma-autojen vaihteistojen historiasta - kenties nyökkäyksenä ensimmäisen automaattivaihteiston luomisen 75-vuotispäivän kunniaksi.

1993 Kilpailua edeltävien testien aikana Silverstonessa Williamsin testikuljettaja David Coulthard poistui radalta seuraavaa testiä varten uudella Williams FW 15C:llä. Märällä jalkakäytävällä auto roiskuu kaikkialle, mutta silti kaikki kuulevat kymmenensylinterisen moottorin oudon yksitoikkoisen nopean äänen. Ilmeisesti Frank William käyttää erilaista lähetystä. Valaistuneille on selvää, että tämä ei ole muuta kuin Formula 1 -moottorin tarpeisiin suunniteltu portaaton vaihteisto, joka myöhemmin kävi ilmi, että se on kehitetty kaikkialla läsnä olevien Van Doorn-asiantuntijoiden avulla. infektion leviäminen. Kaksi salaliittoyhtiötä ovat käyttäneet tähän projektiin valtavia suunnittelu- ja taloudellisia resursseja viimeisten neljän vuoden aikana luodakseen täysin toimivan prototyypin, joka voisi kirjoittaa urheilukuningattaren dynamiikan säännöt uudelleen. Tämän päivän YouTube-videossa näet tämän mallin testit, ja Coulthard itse väittää pitävänsä hänen työstään - varsinkin nurkassa, jossa ei tarvitse tuhlata aikaa alaspäin vaihtamiseen - kaikesta huolehtii elektroniikka. Valitettavasti kaikki, jotka työskentelivät projektin parissa, menettivät työnsä hedelmät. Lainsäätäjät kielsivät nopeasti tällaisten passien käytön Formulassa väitetysti "epäreilun edun vuoksi". Sääntöjä muutettiin ja kiilahihna-CVT- tai CVT-vaihteistot olivat historiaa vain tällä lyhyellä esiintymisellä. Kotelo on suljettu ja Williamsin pitäisi palata puoliautomaattisiin vaihteistoihin, jotka ovat edelleen vakiona Formula 1:ssä ja joista puolestaan ​​tuli vallankumous 80-luvun lopulla. Muuten, jo vuonna 1965 Variomatic-vaihteistolla varustettu DAF yritti päästä moottoriurheiluradalle, mutta tuolloin mekanismi oli niin massiivinen, että jopa ilman subjektiivisten tekijöiden puuttumista se oli tuomittu epäonnistumaan. Mutta se onkin toinen tarina.

Olemme toistuvasti maininneet esimerkkejä siitä, kuinka paljon innovaatioita nykyaikaisessa autoteollisuudessa syntyy vanhoista ideoista, jotka syntyvät erittäin lahjakkaiden ja vaativien ihmisten päähän. Vaihteistot ovat mekaanisen luonteensa vuoksi yksi parhaista esimerkeistä siitä, miten ne voidaan toteuttaa oikeaan aikaan. Nykyään kehittyneiden materiaalien ja valmistusprosessien sekä sähköisen hallinnon yhdistelmä on luonut mahdollisuuden uskomattoman tehokkaille ratkaisuille kaikissa lähetysmuodoissa. Toisaalta suuntaus pienempään kulutukseen ja uusien, pienikokoisten moottoreiden erityisominaisuudet (esimerkiksi tarve nopeasti voittaa turbo -reikä) johtavat tarpeeseen luoda automaattivaihteistoja, joilla on laajempi vaihteiden valikoima. suuri määrä vaihteita. Heidän edullisempia vaihtoehtoja ovat pienautojen CVT -moottorit, joita japanilaiset autovalmistajat käyttävät usein, ja automaattiset manuaalivaihteistot, kuten Easytronic. Opel (myös pienille autoille). Rinnakkaishybridijärjestelmien mekanismit ovat erityisiä, ja osana päästöjen vähentämistoimia taajuusmuuttajan sähköistyminen tapahtuu itse asiassa voimansiirrossa.

Moottori ei voi tehdä ilman vaihteistoa

Tähän mennessä ihmiskunta ei ole keksinyt tehokkaampaa tapaa välittää mekaanista energiaa (paitsi tietysti hydrauliset mekanismit ja hybridisähköjärjestelmät) kuin hihnoja, ketjuja ja hammaspyöriä käyttävät menetelmät. Aiheesta on tietysti lukemattomia muunnelmia, ja voit ymmärtää paremmin niiden olemuksen luetteloimalla alan viime vuosien merkittävimmät kehitykset.

Käsite elektronisesta vaihtamisesta tai ohjausmekanismin elektronisesta epäsuorasta kytkemisestä vaihteistoon on kaukana viimeisestä huudosta, koska vuonna 1916 Pennsylvanialainen Pullman-yhtiö loi vaihteiston, joka vaihtaa vaihteita sähköisesti. Käyttäen samaa toimintaperiaatetta parannetussa muodossa, kaksikymmentä vuotta myöhemmin se asennettiin avantgarde Cord 812:een - yhteen futuristisimmista ja upeimmista autoista paitsi vuonna 1936, jolloin se luotiin. On tarpeeksi merkittävää, että tämä johto löytyy teollisen muotoilun saavutuksia käsittelevän kirjan kannesta. Sen vaihteisto välittää vääntömomentin moottorista etuakselille (!), ja vaihteisto on suora filigraani ohjauspylvään silloiseen esitykseen, joka aktivoi erityiset sähkökytkimet, jotka aktivoivat monimutkaisen sähkömagneettisten laitteiden järjestelmän tyhjiökalvoilla, mukaan lukien vaihteet. Johdon suunnittelijat onnistuivat yhdistämään kaiken tämän onnistuneesti, ja se toimii loistavasti paitsi teoriassa myös käytännössä. Oli todellinen painajainen saada aikaan synkronointi vaihteenvaihdon ja kytkimen toiminnan välille, ja sen ajan todisteiden mukaan oli mahdollista lähettää mekaanikko psykiatriseen sairaalaan. Cord oli kuitenkin luksusauto, eikä sen omistajilla ollut varaa monien nykyaikaisten valmistajien rennolliseen asenteeseen tämän prosessin tarkkuuteen - käytännössä useimmat automatisoidut (usein robotti- tai puoliautomaattiset) vaihteistot vaihtuvat tyypillisellä viiveellä, ja usein puuskissa.

Kukaan ei väitä, että synkronointi olisi paljon helpompi tehtävä nykyään yksinkertaisemmilla ja yleisemmillä manuaalivaihteistoilla, koska kysymys "Miksi tällaista laitetta ylipäätään on tarpeen käyttää?" Sillä on perustavanlaatuinen luonne. Syy tähän monimutkaiseen tapahtumaan, mutta myös liiketoimintarakenteen avaaminen miljardeille, on polttomoottorin luonteessa. Toisin kuin esimerkiksi höyrykone, jossa sylintereihin syötettävän höyryn paine voi muuttua suhteellisen helposti ja sen paine voi muuttua käynnistyksen ja normaalikäytön aikana tai sähkömoottorista, jossa voimakas käyttömagneettikenttä on olemassa myös nollanopeudella. minuutissa (itse asiassa se on silloin korkein, ja sähkömoottoreiden hyötysuhteen heikkenemisen vuoksi nopeuden kasvaessa kaikki sähköajoneuvojen voimansiirtovalmistajat kehittävät parhaillaan kaksivaiheisia vaihtoehtoja) polttomoottorilla on ominaisuus, jossa suurin teho saavutetaan nopeuksilla, jotka ovat lähellä maksimia, ja suurin vääntömomentti - suhteellisen pienellä nopeusalueella, jossa optimaaliset palamisprosessit tapahtuvat. On myös huomattava, että tosielämässä moottoria käytetään harvoin suurimmalla momenttikäyrällä (vastaavasti suurimmalla tehokehityskäyrällä). Valitettavasti vääntömomentti pienillä kierrosluvuilla on minimaalinen, ja jos vaihteisto on kytketty suoraan, jopa kytkimellä, joka vapauttaa ja sallii käynnistämisen, auto ei koskaan voi suorittaa toimintoja, kuten käynnistystä, kiihdytystä ja ajoa laajalla nopeusalueella. Tässä on yksinkertainen esimerkki - jos moottori välittää nopeudensa 1: 1 ja rengaskoko on 195/55 R 15 (toistaiseksi irti päävaihteen läsnäolosta), niin teoriassa auton pitäisi liikkua nopeudella 320 km. / h 3000 kampiakselin kierrosta minuutissa. Autoissa on tietysti suorat tai lähellä olevat vaihteet ja jopa tela-alustat, jolloin myös loppuajo tulee yhtälöön ja se on otettava huomioon. Jos kuitenkin jatkamme alkuperäistä logiikkaa ajamisesta normaalilla nopeudella 60 km / h kaupungissa, moottori tarvitsee vain 560 kierrosta minuutissa. Tietenkään ei ole moottoria, joka kykenisi tekemään tällaisen langan. On vielä yksi yksityiskohta - koska puhtaasti fyysisesti teho on suoraan verrannollinen vääntömomenttiin ja nopeuteen (sen kaava voidaan määritellä myös nopeudeksi x vääntömomentiksi / tietty kerroin), ja fyysisen kappaleen kiihtyvyys riippuu siihen kohdistuvasta voimasta . , ymmärrä tässä tapauksessa teho, on loogista, että nopeampaan kiihtyvyyteen tarvitset suurempia nopeuksia ja enemmän kuormaa (ts. vääntömomentti). Kuulostaa monimutkaiselta, mutta käytännössä tämä tarkoittaa seuraavaa: Jokainen kuljettaja, jopa sellainen, joka ei ymmärrä mitään tekniikassa, tietää, että auton ohittamiseksi nopeasti on vaihdettava yksi tai jopa kaksi vaihdetta matalammalla. Näin ollen vaihteiston kanssa se tuottaa välittömästi suuremmat kierrokset ja siten enemmän voimaa tähän tarkoitukseen samalla polkimen paineella. Tämä on tämän laitteen tehtävä - ottaen huomioon polttomoottorin ominaisuudet varmistaakseen sen toiminnan optimaalisessa tilassa. Ensimmäisellä vaihteella ajonopeus 100 km / h on melko epätaloudellista, ja kuudenneksi, radalle sopivana, on mahdotonta päästä liikkeelle. Ei ole sattumaa, että taloudellinen ajaminen vaatii varhaisia ​​vaihteita ja moottorin käyvän täydellä kuormalla (ts. Ajamalla hiukan suurimman momenttikäyrän alapuolelle). Asiantuntijat käyttävät termiä "pieni ominaisvirrankulutus", joka on keskellä kierrosalueella ja lähellä suurinta kuormitusta. Sitten bensiinimoottoreiden kuristusventtiili avautuu leveämmäksi ja vähentää pumppaushäviöitä, lisää sylinteripainetta ja parantaa siten kemiallisten reaktioiden laatua. Pienemmät nopeudet vähentävät kitkaa ja antavat enemmän aikaa täyttyä kokonaan. Kilpa-autot ajavat aina suurilla nopeuksilla ja niillä on suuri määrä vaihdetta (kahdeksan Formula 1: ssä), mikä mahdollistaa pienemmän nopeuden vaihdettaessa ja rajoittaa siirtymistä alueille, joilla on huomattavasti vähemmän tehoa.

Itse asiassa se voi tehdä ilman klassista vaihdelaatikkoa, mutta ...

Hybridijärjestelmät ja erityisesti hybridijärjestelmät, kuten Toyota Prius. Tässä autossa ei ole minkään listattujen tyyppien vaihteistoa. Siinä ei käytännössä ole vaihdelaatikkoa! Tämä on mahdollista, koska sähköjärjestelmä kompensoi edellä mainitut puutteet. Vaihteisto korvataan niin sanotulla tehonjakajalla, planeettavaihteella, joka yhdistää polttomoottorin ja kaksi sähkökonetta. Ihmisille, jotka eivät ole lukeneet valikoivaa selitystä sen toiminnasta hybridijärjestelmiä koskevista kirjoista ja erityisesti Priuksen luomisesta (jälkimmäiset ovat saatavilla sivustomme ams.bg online-versiossa), sanomme vain, että mekanismi mahdollistaa osa polttomoottorin mekaanisesta energiasta siirrettävä suoraan, mekaanisesti ja osittain sähköiseksi (yhden koneen avulla generaattorina) ja jälleen mekaaniseksi (toisen koneen avulla sähkömoottoriksi) . Tämän Toyotan (jonka alkuperäinen idea oli amerikkalainen yritys TRW 60-luvulta) nerous on tarjota korkea käynnistysmomentti, joka välttää erittäin alhaisten vaihteiden tarpeen ja antaa moottorin toimia tehokkaissa tiloissa. suurimmalla kuormituksella, simuloimalla suurinta mahdollista vaihdetta, jolloin sähköjärjestelmä toimii aina puskurina. Kun kiihtyvyyden ja alasvaihdon simulointia tarvitaan, moottorin nopeutta nostetaan ohjaamalla generaattoria ja vastaavasti sen nopeutta käyttämällä kehittynyttä elektronista virransäätöjärjestelmää. Suuria vaihteita simuloitaessa jopa kahden auton on vaihdettava rooleja moottorin nopeuden rajoittamiseksi. Tässä vaiheessa järjestelmä siirtyy "voimankierto"-tilaan ja sen tehokkuus laskee merkittävästi, mikä selittää tämän tyyppisten hybridiajoneuvojen polttoaineenkulutuksen terävän näytön suurilla nopeuksilla. Tämä tekniikka on siis käytännössä kaupunkiliikenteelle sopiva kompromissi, koska on selvää, että sähköjärjestelmä ei pysty täysin kompensoimaan klassisen vaihteiston puuttumista. Tämän ongelman ratkaisemiseksi Hondan insinöörit käyttävät uudessa hienostuneessa hybridihybridijärjestelmässään yksinkertaista mutta nerokasta ratkaisua kilpaillakseen Toyotan kanssa – he vain lisäävät kuudennen manuaalivaihteiston, joka kytkeytyy nopean hybridimekanismin tilalle. Kaikki tämä saattaa olla tarpeeksi vakuuttavaa osoittamaan vaihteiston tarpeen. Tietenkin, jos mahdollista suurella määrällä vaihteita - tosiasia on, että manuaalisella ohjauksella kuljettajalle ei yksinkertaisesti ole mukavaa olla suuri määrä, ja hinta nousee. Tällä hetkellä 7-vaihteiset manuaalivaihteistot, kuten Porschesta (perustuu DSG:hen) ja Chevrolet Corvetteista löytyvät, ovat melko harvinaisia.

Kaikki alkaa ketjuista ja vyöistä

Joten erilaiset olosuhteet edellyttävät tiettyjä tarvittavan tehon arvoja nopeudesta ja vääntömomentista riippuen. Ja tässä yhtälössä tarve tehokkaaseen moottorin toimintaan ja pienempään polttoaineenkulutukseen, nykyaikaisen moottoritekniikan lisäksi, vaihteistosta on tulossa yhä tärkeämpi haaste.

Ensimmäinen esiin tuleva ongelma on luonnollisesti käynnistys - ensimmäisissä henkilöautoissa vaihteiston yleisin muoto oli polkupyörästä lainattu ketjukäyttö tai erihalkaisijaisiin hihnapyöriin vaikuttava hihnakäyttö. Käytännössä hihnakäytössä ei tullut ikäviä yllätyksiä. Se ei vain ollut yhtä meluisa kuin sen ketjukumppanit, mutta se ei myöskään voinut rikkoa hampaita, mikä tiedettiin primitiivisistä vaihteistomekanismeista, joita kuljettajat siihen aikaan kutsuivat "vaihteistosalaatiksi". Vuosisadan vaihteesta lähtien on kokeiltu niin sanottua "kitkapyörävetoa", jossa ei ole kytkintä tai vaihteita ja joka käyttää Nissania ja Mazdaa toroidisissa vaihteistoissaan (josta keskustellaan myöhemmin). Hammaspyörien vaihtoehdoilla oli kuitenkin myös useita vakavia haittoja - hihnat eivät kestäneet pitkiä kuormituksia ja lisääntyviä nopeuksia, ne löystyivät ja repeytyivät nopeasti, ja kitkapyörien "tyynyt" joutuivat liian nopeaan kulumiseen. Joka tapauksessa, pian autoteollisuuden kynnyksellä, vaihteet tulivat välttämättömiksi ja pysyivät tässä vaiheessa ainoana vaihtoehdona vääntömomentin siirtämiseen melko pitkään.

Mekaanisen voimansiirron syntymä

Leonardo da Vinci suunnitteli ja valmisti hammaspyöriä mekanismeilleen, mutta vahvojen, kohtuullisen tarkkojen ja kestävien hammaspyörien valmistus tuli mahdolliseksi vasta vuonna 1880, koska saatavilla oli sopivia metallurgisia tekniikoita korkealaatuisten terästen ja metallityökoneiden luomiseksi. suhteellisen korkea työn tarkkuus. Kitkahäviöt vaihteissa vähenevät vain 2 prosenttiin! Tämä oli hetki, jolloin heistä tuli välttämättömiä vaihdelaatikon osana, mutta ongelma jäi niiden yhdistämisestä ja sijoittamisesta yleiseen mekanismiin. Esimerkki innovatiivisesta ratkaisusta on Daimler Phoenix 1897, jossa erikokoiset vaihteet "koottiin" todelliseksi, nykypäivän käsityksen mukaan, vaihteistoksi, jossa on neljän nopeuden lisäksi myös peruutusvaihde. Kaksi vuotta myöhemmin Packardista tuli ensimmäinen yritys, joka käytti tunnettua vaihdevivun asentoa H-kirjaimen päissä. Seuraavina vuosikymmeninä vaihteita ei enää ollut, mutta mekanismeja parannettiin edelleen helpomman työn nimissä. Carl Benz, joka varusteli ensimmäiset tuotantoautonsa planeettavaihteistolla, selviytyi ensimmäisistä Cadillacin ja La Sallen vuonna 1929 kehittämistä synkronoiduista vaihteistoista. Kaksi vuotta myöhemmin synkronisaattoreita käyttivät jo Mercedes, Mathis, Maybach ja Horch ja sitten toinen Vauxhall, Ford ja Rolls-Royce. Yksi yksityiskohta - kaikilla oli synkronoimaton ensimmäinen vaihde, mikä ärsytti kuljettajia suuresti ja vaati erityistaitoja. Ensimmäistä täysin synkronoitua vaihdelaatikkoa käytti englantilainen Alvis Speed ​​Twenty lokakuussa 1933, ja sen loi kuuluisa saksalainen yritys, jolla on edelleen nimi "Gear Factory" ZF, josta me usein mainitsemme tarinamme. Vasta 30-luvun puolivälissä synkronisaattoreita alettiin asentaa muihin merkkeihin, mutta halvempiin autoihin ja kuorma-autoihin kuljettajat jatkoivat kamppailua vaihteenvalitsimen kanssa vaihteiden siirtämiseksi ja vaihtamiseksi. Itse asiassa tällaisen haitan ongelmaan haettiin ratkaisua paljon aikaisemmin erilaisten voimansiirtorakenteiden avulla, jotka myös tähtäävät hammasparien jatkuvaan yhdistämiseen ja niiden liittämiseen akseliin - vuosina 1899-1910, De Dion Bouton kehitti mielenkiintoisen voimansiirron, jossa vaihteet ovat jatkuvasti ristikkäin ja niiden liittäminen toisioakseliin tapahtuu pienillä kytkimillä. Panhard-Levasseurilla oli samanlainen kehitys, mutta kehityksessään pysyvästi kytketyt hammaspyörät oli kytketty tiukasti akseliin tapilla. Suunnittelijat eivät tietenkään lakanneet miettimästä, kuinka helpottaa kuljettajia ja suojata autoja tarpeettomilta vaurioilta. Vuonna 1914 Cadillacin insinöörit päättivät hyödyntää valtavien moottoriensa voimaa ja varustaa autot säädettävällä loppukäytöllä, joka voi vaihtaa sähköisesti ja muuttaa välityssuhteen 4,04: 2,5: 1.

20- ja 30-luvut olivat uskomattomien keksintöjen aikaa, jotka ovat osa jatkuvaa tiedon kertymistä vuosien varrella. Esimerkiksi ranskalainen yritys Cotal loi vuonna 1931 sähkömagneettisesti siirretyn manuaalivaihteiston, jota ohjattiin pienellä ohjauspyörässä olevalla vivulla, joka puolestaan ​​​​yhdistettiin pieneen lattialle sijoitettuun tyhjäkäyntivipuun. Mainitsemme jälkimmäisen ominaisuuden, koska sen avulla autossa on täsmälleen yhtä monta eteenpäinvaihdetta kuin neljä peruutusvaihdetta. Tuolloin Kotalin keksinnöstä kiinnostuivat arvostetut tuotemerkit, kuten Delage, Delahaye, Salmson ja Voisin. Edellä mainitun monien nykyaikaisten takavetovaihteiden oudon ja unohdetun "edun" lisäksi tällä uskomattomalla vaihteistolla on myös kyky "vuorovaikutukseen" Fleschel-automaattivaihteiston kanssa, joka vaihtaa vaihteita nopeuden laskeessa moottorin kuormituksen vuoksi ja on itse asiassa yksi ensimmäisistä yrityksistä automatisoida prosessi.

Useimmilla 40- ja 50-luvun autoilla oli kolme vaihdetta, koska moottorit eivät kehittäneet yli 4000 kierrosta minuutissa. Kierrosnopeuden, vääntömomentin ja tehokäyrien kasvaessa kolme vaihdetta eivät enää peittäneet kierroslukualueita. Tuloksena oli epäterveellinen liike, jolla oli tyypillinen "upea" voimansiirto nostettaessa ja liiallinen pakottaminen siirtyessä alempaan. Looginen ratkaisu ongelmaan oli massiivinen siirtyminen nelivaihteiseen vaihteistoon 60-luvulla, ja 70-luvun ensimmäiset viiden nopeuden vaihteistot olivat merkittävä virstanpylväs valmistajille, jotka ylpeänä huomauttivat tällaisen vaihteiston läsnäolon yhdessä auton mallikuvan kanssa. Äskettäin klassisen Opel Commodoren omistaja kertoi minulle, että kun hän osti auton, se oli kolmivaihteinen ja keskimäärin 3 l / 20 km. Kun hän vaihtoi vaihteiston nelivaihteiseen vaihteistoon, kulutus oli 100 l / 15 km, ja kun hän lopulta sai viiden nopeuden, jälkimmäinen putosi 100 litraan.

Nykyään ei ole käytännössä mitään autoja, joissa on alle viisi vaihdetta, ja kuudesta nopeudesta on tulossa normi kompaktien mallien korkeammissa versioissa. Kuudes idea on useimmissa tapauksissa nopeuden voimakas vähentäminen suurilla kierroksilla ja joissakin tapauksissa, kun se ei ole niin pitkä ja nopeuden lasku laskee vaihdettaessa. Monivaiheisilla vaihteistoilla on erityisen positiivinen vaikutus dieselmoottoreihin, joiden yksiköillä on suuri vääntömomentti, mutta huomattavasti pienempi toiminta-alue dieselmoottorin perusluonteesta johtuen.

(seurata)

Teksti: Georgy Kolev