Essai routier L'histoire des transmissions automobiles - Partie 1
Dans une série d'articles, nous vous raconterons l'histoire des transmissions pour voitures et camions - peut-être comme un clin d'œil à l'occasion du 75e anniversaire de la création de la première transmission automatique.
1993 Lors des essais d'avant-course à Silverstone, le pilote d'essai Williams David Coulthard quitte la piste pour le prochain essai dans la nouvelle Williams FW 15C. Sur une chaussée mouillée, la voiture éclabousse partout, mais tout le monde peut toujours entendre l'étrange bruit monotone à grande vitesse d'un moteur dix cylindres. De toute évidence, Frank William utilise un autre type de transmission. Il est clair pour les éclairés qu'il ne s'agit que d'une transmission à variation continue conçue pour répondre aux besoins d'un moteur de Formule 1. Plus tard, il s'est avéré qu'elle avait été développée avec l'aide des spécialistes omniprésents de Van Doorn. transmission de l'infection. Les deux sociétés conspiratrices ont investi d'énormes ressources d'ingénierie et financières dans ce projet au cours des quatre dernières années pour créer un prototype entièrement fonctionnel qui pourrait réécrire les règles de la dynamique dans la reine du sport. Dans la vidéo YouTube d'aujourd'hui, vous pouvez voir les tests de ce modèle, et Coulthard lui-même affirme qu'il aime son travail - en particulier dans le coin, où il n'est pas nécessaire de perdre du temps à rétrograder - tout est pris en charge par l'électronique. Malheureusement, tous ceux qui ont travaillé sur le projet ont perdu le fruit de leur travail. Les législateurs n'ont pas tardé à interdire l'utilisation de ces laissez-passer en Formule, prétendument en raison d'un "avantage injuste". Les règles ont été modifiées et les transmissions CVT ou CVT à courroie trapézoïdale étaient de l'histoire avec seulement cette brève apparition. L'affaire est close et Williams devrait revenir aux transmissions semi-automatiques, qui sont encore de série en Formule 1 et qui, à leur tour, sont devenues une révolution à la fin des années 80. Soit dit en passant, en 1965, DAF avec la transmission Variomatic a tenté d'entrer sur la piste du sport automobile, mais à cette époque, le mécanisme était si massif que même sans l'intervention de facteurs subjectifs, il était voué à l'échec. Mais c'est une autre histoire.
Nous avons cité à plusieurs reprises des exemples montrant à quel point l'innovation dans l'industrie automobile moderne est le résultat de vieilles idées nées dans la tête de personnes extrêmement douées et exigeantes. En raison de leur nature mécanique, les boîtes de vitesses sont l'un des exemples les plus clairs de la façon dont elles peuvent être mises en œuvre au moment opportun. De nos jours, la combinaison de matériaux et de processus de fabrication avancés et d'e-gouvernement a créé l'opportunité de solutions incroyablement efficaces dans toutes les formes de transmission. La tendance à la baisse des consommations d'une part et la spécificité des nouveaux moteurs aux dimensions réduites (par exemple, la nécessité de surmonter rapidement un trou de turbo) conduisent à la nécessité de créer des transmissions automatiques avec une gamme de rapports plus large et, par conséquent, un grand nombre d'engrenages. Leurs alternatives les plus abordables sont les CVT pour les petites voitures, souvent utilisées par les constructeurs automobiles japonais, et les transmissions manuelles automatiques telles que Easytronic. Opel (également pour les petites voitures). Les mécanismes des systèmes hybrides parallèles sont spécifiques et, dans le cadre des efforts de réduction des émissions, l'électrification de l'entraînement se produit réellement dans les transmissions.
Un moteur ne peut pas se passer d'une boîte de vitesses
À ce jour, l'humanité n'a pas inventé un moyen plus efficace de transmission directe de l'énergie mécanique (à l'exception, bien sûr, des mécanismes hydrauliques et des systèmes électriques hybrides) que les méthodes utilisant des courroies, des chaînes et des engrenages. Bien sûr, il existe d'innombrables variations sur ce thème, et vous pouvez mieux comprendre leur essence en énumérant les développements les plus remarquables dans ce domaine ces dernières années.
Le concept de changement de vitesse électronique, ou connexion indirecte électronique du mécanisme de commande à la boîte de vitesses, est loin d'être le dernier cri, car en 1916, la société Pullman de Pennsylvanie a créé une boîte de vitesses qui change de vitesse électriquement. Utilisant le même principe de fonctionnement sous une forme améliorée, vingt ans plus tard, il a été installé dans l'avant-garde Cord 812 - l'une des voitures les plus futuristes et les plus merveilleuses, pas seulement en 1936, lors de sa création. Il est assez significatif que ce cordon se retrouve sur la couverture d'un livre sur les réalisations du design industriel. Sa transmission transmet le couple du moteur à l'essieu avant (!), Et le changement de vitesse est en filigrane direct pour la représentation d'alors de la colonne de direction, qui active des interrupteurs électriques spéciaux qui activent un système complexe d'appareils électromagnétiques à membranes à vide, y compris des engrenages. Les concepteurs de cordons ont réussi à combiner tout cela avec succès, et cela fonctionne très bien non seulement en théorie, mais aussi en pratique. C'était un vrai cauchemar de mettre en place une synchronisation entre le passage des vitesses et le fonctionnement de l'embrayage, et, selon les preuves de l'époque, il était possible d'envoyer un mécanicien en hôpital psychiatrique. Cependant, la Cord était une voiture de luxe et ses propriétaires ne pouvaient pas se permettre l'attitude désinvolte de nombreux fabricants modernes vis-à-vis de la précision de ce processus - dans la pratique, la plupart des transmissions automatisées (souvent appelées robotiques ou semi-automatiques) se déplacent avec un retard caractéristique, et souvent des rafales.
Personne ne prétend que la synchronisation est une tâche beaucoup plus facile avec les transmissions manuelles plus simples et plus répandues aujourd'hui, car la question "Pourquoi est-il nécessaire d'utiliser un tel appareil ?" A un caractère fondamental. La raison de cet événement difficile, mais aussi de l'ouverture d'une niche commerciale à des milliards, réside dans la nature même du moteur thermique. Contrairement, par exemple, à une machine à vapeur, où la pression de la vapeur fournie aux cylindres peut changer relativement facilement, et sa pression peut changer pendant le démarrage et le fonctionnement normal, ou à partir d'un moteur électrique, dans lequel un champ magnétique d'entraînement puissant existe également à vitesse nulle par minute (en fait, c'est alors la plus élevée, et en raison de la diminution de l'efficacité des moteurs électriques à vitesse croissante, tous les fabricants de transmissions pour véhicules électriques développent actuellement des options à deux étages) un interne le moteur à combustion a une caractéristique dans laquelle la puissance maximale est atteinte à des vitesses proches du maximum et le couple maximal - dans une plage de vitesses relativement petite, dans laquelle se produisent les processus de combustion les plus optimaux. Il faut également noter que dans la vraie vie, le moteur est rarement utilisé sur la courbe de couple maximum (respectivement, sur la courbe de développement de puissance maximum). Malheureusement, le couple à bas régime est minime, et si la transmission est directement connectée, même avec un embrayage qui se désengage et permet le démarrage, la voiture ne sera jamais en mesure d'effectuer des activités telles que le démarrage, l'accélération et la conduite à une large plage de vitesse. Voici un exemple simple - si le moteur transmet sa vitesse 1: 1 et que la taille des pneus est de 195/55 R 15 (pour l'instant, en faisant abstraction de la présence du train principal), alors théoriquement, la voiture devrait se déplacer à une vitesse de 320 kilomètres. / h à 3000 tours de vilebrequin par minute. Bien sûr, les voitures ont des vitesses directes ou proches et même des vitesses à chenilles, auquel cas la transmission finale entre également dans l'équation et doit être prise en compte. Cependant, si l'on continue la logique d'origine du raisonnement sur la conduite à une vitesse normale de 60 km / h en ville, le moteur n'aura besoin que de 560 tr / min. Bien entendu, aucun moteur n'est capable de faire une telle ficelle. Il y a un détail de plus - car, purement physiquement, la puissance est directement proportionnelle au couple et à la vitesse (sa formule peut également être définie comme vitesse x couple / un certain coefficient), et l'accélération d'un corps physique dépend de la force qui lui est appliquée . , comprenez, dans ce cas, la puissance, il est logique que pour une accélération plus rapide, vous aurez besoin de vitesses plus élevées et de plus de charge (c.-à-d. couple). Cela semble compliqué, mais en pratique cela signifie ce qui suit: chaque conducteur, même celui qui ne comprend rien à la technologie, sait que pour dépasser rapidement une voiture, il faut passer une ou même deux vitesses plus bas. Ainsi, c'est avec la boîte de vitesses qu'il délivre instantanément des régimes plus élevés et donc plus de puissance à cet effet avec la même pression de pédale. C'est la tâche de cet appareil - en tenant compte des caractéristiques du moteur à combustion interne, pour assurer son fonctionnement dans le mode optimal. Rouler en première vitesse à une vitesse de 100 km / h sera assez peu économique, et en sixième, adapté à la piste, il est impossible de se mettre en route. Ce n'est pas un hasard si la conduite économique nécessite des changements de rapport précoces et le moteur tourne à pleine charge (c.-à-d. Conduite légèrement en dessous de la courbe de couple maximum). Les experts utilisent le terme «faible consommation d'énergie spécifique», qui se situe dans la plage de régime moyen et proche de la charge maximale. Ensuite, le papillon des moteurs à essence s'ouvre plus largement et réduit les pertes de pompage, augmente la pression du cylindre et améliore ainsi la qualité des réactions chimiques. Des vitesses plus lentes réduisent la friction et laissent plus de temps pour se remplir complètement. Les voitures de course roulent toujours à des vitesses élevées et ont un grand nombre de vitesses (huit en Formule 1), ce qui permet de réduire la vitesse lors des changements de vitesse et limite la transition vers des zones avec beaucoup moins de puissance.
En fait, il peut se passer d'une boîte de vitesses classique, mais ...
Le cas des systèmes hybrides et en particulier des systèmes hybrides comme la Toyota Prius. Cette voiture n'a pas de transmission d'aucun des types répertoriés. Il n'a pratiquement pas de boîte de vitesses ! Ceci est possible car les défauts susmentionnés sont compensés par le système électrique. La transmission est remplacée par un soi-disant répartiteur de puissance, un engrenage planétaire qui combine un moteur à combustion interne et deux machines électriques. Pour les personnes n'ayant pas lu l'explication sélective de son fonctionnement dans les ouvrages sur les systèmes hybrides et notamment sur la création de la Prius (ces dernières sont disponibles sur la version en ligne de notre site ams.bg), nous dirons seulement que le mécanisme permet une partie de l'énergie mécanique du moteur à combustion interne à transférer directement, mécaniquement et partiellement, être convertie en électrique (à l'aide d'une machine en tant que générateur) et à nouveau en mécanique (à l'aide d'une autre machine en tant que moteur électrique) . Le génie de cette création de Toyota (dont l'idée originale était la société américaine TRW des années 60) est de fournir un couple de démarrage élevé, ce qui évite d'avoir recours à des rapports très bas et permet au moteur de fonctionner dans des modes efficaces. à charge maximale, simulant le rapport le plus élevé possible, le système électrique agissant toujours comme tampon. Lorsqu'une simulation d'accélération et de rétrogradation est requise, le régime moteur est augmenté en contrôlant le générateur et, par conséquent, par sa vitesse à l'aide d'un système électronique sophistiqué de contrôle du courant. Lors de la simulation de vitesses élevées, même deux voitures doivent changer de rôle pour limiter la vitesse du moteur. A ce stade, le système passe en mode « circulation d'énergie » et son efficacité est nettement réduite, ce qui explique l'affichage pointu de la consommation de carburant de ce type de véhicules hybrides à grande vitesse. Ainsi, cette technologie est en pratique un compromis commode pour la circulation urbaine, puisqu'il est évident que le système électrique ne peut totalement compenser l'absence d'une boîte de vitesses classique. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs de Honda utilisent une solution simple mais ingénieuse dans leur nouveau système hybride hybride sophistiqué pour concurrencer Toyota - ils ajoutent simplement une sixième transmission manuelle qui s'enclenche à la place du mécanisme hybride à grande vitesse. Tout cela peut être suffisamment convaincant pour montrer la nécessité d'une boîte de vitesses. Bien sûr, si possible avec un grand nombre de vitesses - le fait est qu'avec le contrôle manuel, il ne sera tout simplement pas confortable pour le conducteur d'en avoir un grand nombre, et le prix augmentera. À l'heure actuelle, les transmissions manuelles à 7 rapports telles que celles que l'on trouve dans les Porsche (basées sur DSG) et les Chevrolet Corvettes sont assez rares.
Tout commence par des chaînes et des ceintures
Ainsi, différentes conditions nécessitent certaines valeurs de la puissance requise en fonction de la vitesse et du couple. Et dans cette équation, la nécessité d'un fonctionnement efficace du moteur et d'une consommation de carburant réduite, en plus de la technologie moteur moderne, la transmission devient un défi de plus en plus important.
Naturellement, le premier problème qui se pose est le démarrage - dans les premières voitures de tourisme, la forme de boîte de vitesses la plus courante était une transmission par chaîne, empruntée à un vélo, ou une transmission par courroie agissant sur des poulies à courroie de différents diamètres. En pratique, il n'y a pas eu de mauvaises surprises dans la transmission par courroie. Non seulement il était aussi bruyant que ses partenaires de chaîne, mais il ne pouvait pas non plus se casser les dents, ce qui était connu grâce aux mécanismes d'engrenage primitifs que les conducteurs à l'époque appelaient "laitue de transmission". Depuis le début du siècle, des expériences ont été menées avec la soi-disant "roue à friction", qui n'a ni embrayage ni engrenages, et utilise Nissan et Mazda dans leurs boîtes de vitesses toroïdales (dont nous parlerons plus tard). Cependant, les alternatives aux roues dentées présentaient également un certain nombre d'inconvénients graves - les courroies ne pouvaient pas supporter des charges prolongées et des vitesses croissantes, elles se sont rapidement desserrées et déchirées, et les "plaquettes" des roues à friction ont été soumises à une usure trop rapide. Quoi qu'il en soit, peu de temps après l'aube de l'industrie automobile, les engrenages sont devenus nécessaires et sont restés la seule option à ce stade pour transmettre le couple pendant une assez longue période.
La naissance d'une transmission mécanique
Léonard de Vinci a conçu et fabriqué des roues dentées pour ses mécanismes, mais la production de roues dentées solides, raisonnablement précises et durables n'est devenue possible qu'en 1880 grâce à la disponibilité de technologies métallurgiques appropriées pour créer des aciers et des machines de travail des métaux de haute qualité. précision de travail relativement élevée. La perte de friction dans les engrenages a été réduite à seulement 2 % ! Ce fut le moment où ils devinrent indispensables dans le cadre de la boîte de vitesses, mais le problème demeurait avec leur unification et leur placement dans le mécanisme général. Un exemple de solution innovante est le Daimler Phoenix de 1897, dans lequel des engrenages de différentes tailles ont été "assemblés" en un véritable, selon la compréhension actuelle, une boîte de vitesses qui, en plus de quatre vitesses, dispose également d'une marche arrière. Deux ans plus tard, Packard est devenue la première entreprise à utiliser le positionnement bien connu du levier de vitesses aux extrémités de la lettre "H". Dans les décennies suivantes, les engrenages n'étaient plus, mais les mécanismes ont continué à être améliorés au nom d'un travail plus facile. Carl Benz, qui a équipé ses premières voitures de série d'une boîte de vitesses planétaire, a réussi à survivre à l'apparition des premières boîtes de vitesses synchronisées créées par Cadillac et La Salle en 1929. Deux ans plus tard, des synchroniseurs étaient déjà utilisés par Mercedes, Mathis, Maybach et Horch, puis une autre Vauxhall, Ford et Rolls-Royce. Un détail - tous avaient une première vitesse non synchronisée, ce qui ennuyait grandement les pilotes et nécessitait des compétences particulières. La première boîte de vitesses entièrement synchronisée a été utilisée par l'anglais Alvis Speed Twenty en octobre 1933 et a été créée par la célèbre société allemande, qui porte toujours le nom de « Gear Factory » ZF, auquel nous ferons souvent référence dans notre récit. Ce n'est qu'au milieu des années 30 que les synchroniseurs ont commencé à être installés sur d'autres marques, mais dans les voitures et les camions moins chers, les conducteurs ont continué à lutter avec le levier de vitesses pour bouger et changer de vitesse. En fait, une solution au problème de ce genre d'inconvénient a été recherchée bien plus tôt à l'aide de diverses structures de transmission, visant également à engrener constamment les paires d'engrenages et à les relier à l'arbre - dans la période de 1899 à 1910, De Dion Bouton développé une transmission intéressante dans laquelle les engrenages sont constamment engrenés et leur connexion à l'arbre secondaire est réalisée à l'aide de petits accouplements. Panhard-Levasseur a eu un développement similaire, mais dans leur développement, les engrenages engagés en permanence étaient fermement connectés à l'arbre à l'aide de goupilles. Les concepteurs, bien sûr, n'ont pas cessé de réfléchir à la manière de faciliter la tâche des conducteurs et de protéger les voitures des dommages inutiles. En 1914, les ingénieurs de Cadillac ont décidé qu'ils pouvaient exploiter la puissance de leurs énormes moteurs et équiper les voitures d'un entraînement final réglable qui pouvait changer de vitesse électriquement et faire passer le rapport de démultiplication de 4,04 : à 2,5 : 1.
Les années 20 et 30 ont été une période d'inventions incroyables qui s'inscrivent dans l'accumulation constante de connaissances au fil des ans. Par exemple, en 1931, la société française Cotal a créé une transmission manuelle à commande électromagnétique commandée par un petit levier sur le volant, qui, à son tour, était combiné avec un petit levier de ralenti placé sur le sol. Nous mentionnons cette dernière caractéristique car elle permet à la voiture d'avoir exactement autant de vitesses avant qu'il y a quatre vitesses arrière. A cette époque, des marques prestigieuses telles que Delage, Delahaye, Salmson et Voisin s'intéressent à l'invention de Kotal. En plus de "l'avantage" bizarre et oublié mentionné ci-dessus de nombreux engrenages modernes à propulsion arrière, cette incroyable boîte de vitesses a également la capacité "d'interagir" avec un levier de vitesses automatique Fleschel qui change de vitesse lorsque la vitesse chute en raison de la charge du moteur et est en fait l'une des premières tentatives d'automatisation du processus.
La plupart des voitures des années 40 et 50 avaient trois vitesses car les moteurs ne développaient pas plus de 4000 tr / min. Avec l'augmentation des courbes de régime, de couple et de puissance, les trois rapports ne couvraient plus la plage de régimes. Le résultat était un mouvement disharmonieux avec une transmission "étonnante" caractéristique lors du levage et un forçage excessif lors du passage à une transmission inférieure. La solution logique au problème était le passage massif aux rapports à quatre vitesses dans les années 60, et les premières boîtes de vitesses à cinq rapports dans les années 70 ont constitué une étape importante pour les constructeurs, qui ont fièrement noté la présence d'une telle boîte de vitesses avec l'image du modèle sur la voiture. Récemment, le propriétaire d'une Opel Commodore classique m'a dit que lorsqu'il a acheté la voiture, elle était en 3 vitesses et en moyenne 20 l / 100 km. Lorsqu'il a changé la boîte de vitesses pour une boîte à quatre vitesses, la consommation était de 15 l / 100 km, et après avoir finalement obtenu une boîte à cinq vitesses, cette dernière est tombée à 10 litres.
Aujourd'hui, il n'y a pratiquement pas de voitures avec moins de cinq vitesses, et six vitesses deviennent la norme dans les versions supérieures des modèles compacts. La sixième idée dans la plupart des cas est une forte réduction de la vitesse à haut régime, et dans certains cas, lorsqu'elle n'est pas si longue et que la réduction de la vitesse diminue lors du changement de vitesse. Les transmissions à plusieurs étages ont un effet particulièrement positif sur les moteurs diesel, dont les unités ont un couple élevé, mais une plage de fonctionnement considérablement réduite en raison de la nature fondamentale du moteur diesel.
(suivre)
Texte: Georgy Kolev
