Тест драйв История автомобильных трансмиссий – Часть 1

В серии материалов мы расскажем вам об истории коробок передач для легковых и грузовых автомобилей – возможно, в качестве реверанса по случаю 75-летия со дня создания первой автоматической трансмиссии.

1993 г. Во время тестов перед гонкой в ​​Сильверстоуне тест-пилот Williams Дэвид Култхард покинул трассу для следующих тестов на новом Williams FW 15C. На мокром асфальте машина разбрызгивает повсюду брызги, но все же каждый может услышать странный монотонный скоростной звук десятицилиндрового двигателя. Очевидно, Фрэнк Уильям использует другой вид передачи. Всем просвещенным ясно, что это не что иное, как бесступенчатая трансмиссия, разработанная для удовлетворения потребностей двигателя Формулы 1. Позже выяснилось, что она была разработана при участии вездесущих специалистов компании Van Doorn. Передача инфекции. Две компании-заговорщики вложили в этот проект огромный инженерный и финансовый потенциал за последние четыре года, чтобы создать полностью функциональный прототип, который может переписать правила динамики в королеве спорта. В видео на YouTube сегодня вы можете увидеть тесты этой модели, и сам Култхард утверждает, что ему нравится ее работа – особенно в углу, где нет необходимости тратить время на переключение на пониженную передачу – обо всем позаботились электроника. К сожалению, все, кто работал над проектом, лишились плодов своего труда. Законодатели поспешили запретить использование таких передач в Формуле, предположительно из-за «несправедливого преимущества». Правила были изменены, и вариатор с клиновым ремнем или трансмиссии CVT остались в истории только с этим кратким проявлением. Дело закрыто, и Williams должна вернуться к полуавтоматическим трансмиссиям, которые до сих пор являются стандартными в Формуле 1 и которые, в свою очередь, стали революцией в конце 80-х. Кстати, еще в 1965 году DAF с трансмиссией Variomatic предпринимал попытки выйти на трек автоспорта, но на тот момент механизм был настолько массивным, что даже без вмешательства субъективных факторов был обречен на провал. Но это уже другая история.

Мы неоднократно приводили примеры того, сколько инноваций в современном автомобилестроении является результатом старых идей, рожденных в головах чрезвычайно одаренных и проницательных людей. Из-за своей механической природы коробки передач являются одним из самых ярких примеров того, как они могут быть реализованы, когда придет время. В настоящее время сочетание передовых материалов и производственных процессов и электронного правительства создало возможность для невероятно эффективных решений во всех формах передачи. Тенденция к снижению расхода с одной стороны и специфика новых двигателей с уменьшенными габаритами (например, необходимость быстрого преодоления турбо-дыры) приводят к необходимости создания автоматических трансмиссий с более широким диапазоном передаточных чисел и, соответственно, большим количеством передач. Их более доступными альтернативами являются бесступенчатые трансмиссии для небольших автомобилей, часто используемые японскими автопроизводителями, и автоматические механические трансмиссии, такие как Easytronic. Opel (также для небольших автомобилей). Механизмы параллельных гибридных систем специфичны, и в рамках усилий по снижению выбросов электрификация привода фактически происходит в трансмиссиях.

Двигатель не может обойтись без коробки передач

На сегодняшний день человечество не изобрело более эффективного способа прямой передачи механической энергии (за исключением, конечно, гидравлических механизмов и гибридных электрических систем), чем способы с использованием ремней, цепей и шестерен. Конечно, вариаций на эту тему бесчисленное множество, и лучше понять их суть можно, перечислив наиболее выдающиеся разработки в этой области за последние годы.

Концепция электронного переключения передач или электронного косвенного соединения механизма управления с коробкой передач – далеко не последний крик, потому что в 1916 году компания Pullman из штата Пенсильвания создала коробку передач, переключающую передачи электрически. Используя тот же принцип работы в усовершенствованном виде, двадцать лет спустя он был установлен в авангардном Cord 812 – одном из самых футуристических и замечательных автомобилей не только в 1936 году, когда он был создан. Достаточно показателен тот факт, что на обложке книги о достижениях промышленного дизайна этот шнур можно найти. Его трансмиссия передает крутящий момент от двигателя на переднюю ось (!), А переключение передач прямое филигранное для тогдашнего представления рулевой колонки, которое активирует специальные электрические переключатели, которые активируют сложную систему электромагнитных устройств с вакуумными диафрагмами, включая шестерни. Дизайнерам Cord удалось все это удачно совместить, и это прекрасно работает не только в теории, но и на практике. Настроить синхронизацию между переключением передач и работой сцепления – настоящий кошмар, и, согласно свидетельствам того времени, можно было отправить механика в психиатрическую лечебницу. Однако Cord был роскошным автомобилем, и его владельцы не могли позволить себе небрежное отношение многих современных производителей к точности этого процесса – на практике большинство автоматизированных (часто называемых роботизированными или полуавтоматическими) коробками передач переключаются с характерной задержкой, и часто порывами.

Никто не утверждает, что синхронизация – намного более простая задача с более простыми и широко распространенными механическими трансмиссиями сегодня, потому что вопрос «Почему вообще необходимо использовать такое устройство?» Имеет фундаментальный характер. Причина этого сложного события, но также открывающая ниша для бизнеса для миллиардов, кроется в самой природе работы двигателя внутреннего сгорания. В отличие, например, от парового двигателя, где давление пара, подаваемого в цилиндры, может изменяться относительно легко, и его давление может изменяться во время запуска и нормальной работы, или от электродвигателя, в котором сильное движущее магнитное поле также существует в при нулевых оборотах в минуту (на самом деле тогда она самая высокая, а из-за снижения КПД электродвигателей при увеличении скорости все производители трансмиссий для электромобилей в настоящее время разрабатывают двухступенчатые варианты) двигатель внутреннего сгорания имеет характеристику, при которой максимальная мощность достигается при скорости близки к максимальным, а максимальный крутящий момент – в относительно небольшом диапазоне скоростей, при котором протекают наиболее оптимальные процессы сгорания. Также следует отметить, что в реальной жизни двигатель редко используется на кривой максимального крутящего момента (соответственно на кривой развития максимальной мощности). К сожалению, крутящий момент на низких оборотах минимален, и, если трансмиссия подключена напрямую, даже со сцеплением, которое отключается и обеспечивает трогание с места, автомобиль никогда не сможет выполнять такие действия, как трогание с места, ускорение и движение с широким диапазоном скорость. Вот простой пример – если двигатель передает свою скорость 1: 1, а размер шин 195/55 R 15 (пока абстрагируемся от наличия главной передачи), то теоретически автомобиль должен двигаться со скоростью 320 км. / ч при 3000 оборотах коленчатого вала в минуту. Конечно, у автомобилей есть прямые или близкие передачи и даже понижающие передачи, и тогда главная передача также входит в уравнение и должна быть принята во внимание. Однако, если мы продолжим исходную логику рассуждений о движении с нормальной скоростью 60 км / ч по городу, двигателю потребуется всего 560 об / мин. Конечно, нет мотора, способного сделать такой шпагат. Есть еще одна деталь – потому что чисто физически мощность прямо пропорциональна крутящему моменту и скорости (ее формула также может быть определена как скорость x крутящий момент / определенный коэффициент), а ускорение физического тела зависит от приложенной к нему силы. , поймите, в данном случае мощность, логично, что для более быстрого разгона вам потребуются более высокие скорости и большая нагрузка (т.е. крутящий момент). Звучит сложно, но на практике это означает следующее: каждый водитель, даже тот, кто ничего не понимает в технике, знает, что для того, чтобы быстро обогнать машину, нужно переключить на одну или даже две передачи ниже. Таким образом, именно с помощью коробки передач она мгновенно обеспечивает более высокие обороты и, следовательно, большую мощность для этой цели при той же степени давления на педаль. В этом и состоит задача данного устройства – с учетом характеристик двигателя внутреннего сгорания обеспечить его работу в оптимальном режиме. Езда на первой передаче со скоростью 100 км / ч будет довольно неэкономичной, а на шестой, подходящей для трассы, трогаться невозможно. Не случайно, для экономичного вождения требуется раннее переключение и работа двигателя с максимально возможной нагрузкой (то есть движение немного ниже кривой максимального крутящего момента). Специалисты используют термин «низкое удельное энергопотребление», которое находится в среднем диапазоне оборотов и близка к максимальной нагрузке. Тогда дроссельная заслонка бензиновых двигателей открывается шире и снижает насосные потери, увеличивает давление в цилиндрах и тем самым улучшает качество химических реакций. Более низкие скорости уменьшают трение и оставляют больше времени для полного заполнения. Гоночные автомобили всегда работают на высоких скоростях и имеют большое количество передач (восемь в Формуле 1), что позволяет снизить скорость при переключении и ограничивает переход в зоны со значительно меньшей мощностью. Что касается обычных автомобилей, то при движении по городу рекомендуется как можно раньше переключаться на более высокую передачу – в подтверждение вышесказанного.

На самом деле может обойтись и без классической коробки передач, но…

Случай гибридных систем и, в частности, комбинированных систем, таких как Toyota Prius. Этот автомобиль не имеет коробки передач ни одного из перечисленных типов. У него практически нет коробки передач! Это возможно потому, что вышеупомянутые недостатки компенсируются за счет электрической системы. Трансмиссию заменяет так называемое устройство разделения мощности, планетарный механизм, который объединяет двигатель внутреннего сгорания и две электрические машины. Для людей, которые не читали выборочное объяснение его работы в книгах по гибридным системам и особенно по созданию Prius (последние доступны в онлайн-версии нашего сайта ams.bg), мы скажем только, что механизм позволяет часть механической энергии двигателя внутреннего сгорания передаваться напрямую, механически и частично, преобразовываться в электрическую (с помощью одной машины в роли генератора) и снова в механическую (с помощью другой машины в роли электродвигателя). Гениальность этого творения Toyota (чья оригинальная идея – американская компания TRW из 60-х) – обеспечить высокий крутящий момент при запуске, что позволяет избежать необходимости очень низких передач и позволяет двигателю работать в эффективных режимах. при максимальной нагрузке, имитируя максимально возможную передачу, при этом электрическая система всегда работает как буфер. Когда требуется имитация ускорения и пониженной передачи, частота вращения двигателя увеличивается за счет управления генератором и, соответственно, за счет его скорости с помощью сложной электронной системы управления током. При моделировании высоких передач даже две машины должны поменяться ролями, чтобы ограничить скорость двигателя. В этот момент система переходит в режим «циркуляции мощности», и ее эффективность значительно снижается, что объясняет резкое отображение расхода топлива этого типа гибридных автомобилей на высоких скоростях. Таким образом, эта технология на практике является компромиссом, удобным для городского движения, поскольку очевидно, что электрическая система не может полностью компенсировать отсутствие классической коробки передач. Для решения этой проблемы инженеры Honda использует простое, но гениальное решение в своей новой сложной комбинированной гибридной системе, которая должна конкурировать с Toyota – они просто добавляют шестую механическую коробку передач, которая включается вместо высокоскоростного гибридного механизма. Все это может быть достаточно убедительным, чтобы показать необходимость коробки передач. Конечно, по возможности с большим количеством передач – дело в том, что с ручным управлением водителю будет просто не комфортно иметь большое количество, и цена возрастет. На данный момент 7-ступенчатые механические коробки передач, такие как у Porsche (на основе DSG) и Chevrolet Корветы встречаются довольно редко.

Все начинается с цепочек и ремней

Итак, различные условия требуют определенных значений необходимой мощности в зависимости от скорости и крутящего момента. И в этом уравнении необходимость эффективной работы двигателя и снижения расхода топлива, в дополнение к современным технологиям двигателей, трансмиссия становится все более важной задачей.

Естественно, первая проблема, которая возникает, это запуск – в первых легковых автомобилях наиболее распространенной формой коробки передач была цепная передача, заимствованная у велосипеда, или ременная передача, действующая на ременные шкивы разного диаметра. На практике в ременной передаче неприятных сюрпризов не обошлось. Он не только был таким же шумным, как его цепные партнеры, но и не мог сломать зубы, что было известно по примитивным зубчатым механизмам, которые водители в то время называли «трансмиссионным салатом». С начала века проводились эксперименты с так называемым «фрикционным приводом на колеса», у которого нет ни сцепления, ни шестерен, и в котором используются Nissan и Mazda в их тороидальных коробках передач (о которых будет сказано позже). Однако альтернативы зубчатым колесам также имели ряд серьезных недостатков – ремни не выдерживали длительных нагрузок и возрастающих скоростей, быстро расшатывались и рвались, а «колодки» фрикционных колес подвергались слишком быстрому износу. В любом случае, вскоре после зарождения автомобильной промышленности зубчатые передачи стали необходимы и оставались единственным вариантом на данном этапе для передачи крутящего момента в течение довольно длительного периода времени.

Рождение механической трансмиссии

Леонардо да Винчи спроектировал и изготовил зубчатые колеса для своих механизмов, но производство прочных, достаточно точных и долговечных зубчатых колес стало возможным только в 1880 году благодаря наличию соответствующих металлургических технологий для создания высококачественных сталей и металлообрабатывающих станков. относительно высокая точность работы. Потери на трение в шестернях сократились всего до 2 процентов! Это был момент, когда они стали незаменимыми как элемент коробки передач, но проблема оставалась с их унификацией и размещением в общем механизме. Примером новаторского решения является Daimler Phoenix 1897 года, в котором шестерни различных размеров были «собраны» в настоящую, согласно сегодняшнему пониманию, коробку передач, которая помимо четырех скоростей имеет еще и передачу заднего хода. Два года спустя Packard стала первой компанией, использовавшей хорошо известное расположение рычага переключения передач на концах буквы «H». В последующие десятилетия шестерен больше не стало, но механизмы продолжали совершенствоваться во имя облегчения работы. Карлу Бенцу, вооружившему свои первые серийные автомобили планетарной коробкой передач, удалось пережить появление первых коробок передач с синхронизаторами, созданных Cadillac и La Salle в 1929 году. Два года спустя синхронизаторы уже использовались Mercedes, Матис, Maybach и Хорьх, а потом еще один Воксхолл, Ford и Роллс-Ройс. Одна деталь – у всех была несинхронизированная первая передача, что сильно раздражало водителей и требовало особых навыков. Первая полностью синхронизированная коробка передач использовалась английским Alvis Speed ​​Twenty в октябре 1933 года и была создана известной немецкой компанией, которая до сих пор носит название «Gear Factory» ZF, которое мы часто будем упоминать в нашем рассказе. Лишь в середине 30-х годов синхронизаторы начали устанавливаться на другие марки, но в более дешевых легковых и грузовых автомобилях водители продолжали бороться с рычагом переключения передач, чтобы двигаться и включать скользящие передачи. Фактически, решение проблемы неудобств такого рода искали гораздо раньше с помощью различных структур трансмиссии, направленных также на постоянное зацепление зубчатых пар и их соединение с валом – в период с 1899 по 1910 год Де Дион Бутон разработал интересную трансмиссию в шестерни которого постоянно находятся в зацеплении, а их соединение с вторичным валом осуществляется с помощью небольших муфт. Компания Panhard-Levasseur имела аналогичное развитие, но при их разработке постоянно включенные шестерни были прочно соединены с валом с помощью пальцев. Конструкторы, конечно же, не перестали думать о том, как облегчить водителям и защитить автомобили от лишних повреждений. В 1914 году инженеры Cadillac решили, что они могут использовать мощность своих огромных двигателей и оснастить автомобили регулируемой главной передачей, которая могла бы переключаться электрически и позволяла изменять передаточное число с 4,04: до 2,5: 1. Он использовал подобное снаряжение Rolls-Royce.

20-е и 30-е годы были временем невероятных изобретений, которые являются частью постоянного накопления знаний на протяжении многих лет. Например, в 1931 году французская компания Cotal создала механическую коробку передач с электромагнитным переключением, управляемую небольшим рычагом на рулевом колесе, который, в свою очередь, был совмещен с небольшим, размещенным на полу рычагом холостого хода. Мы упоминаем последнюю особенность, потому что она позволяет автомобилю иметь ровно столько передач переднего хода, сколько заднее – четыре. В то время изобретением Котала интересовались такие престижные бренды, как Delage, Delahaye, Salmson и Voisin. В дополнение к вышеупомянутому причудливому и забытому «преимуществу» многих современных заднеприводных механизмов, эта невероятная коробка передач также обладает способностью «взаимодействовать» с автоматическим переключателем Fleschel, который переключает передачи с падением скорости из-за нагрузки на двигатель и фактически является одним из первые попытки автоматизировать процесс.

Большинство автомобилей 40-х и 50-х годов имели по три передачи, потому что двигатели не развивались более 4000 об / мин. С увеличением оборотов, крутящего момента и кривых мощности три передачи больше не покрывали диапазон оборотов. В результате получилось дисгармоничное движение с характерным «оглушением» передачи при подъеме и чрезмерным форсированием при переключении на более низкую. Логическим решением проблемы стал массовый переход на четырехступенчатую передачу в 60-х годах, а первые пятиступенчатые коробки передач в 70-х стали значительным событием для производителей, которые с гордостью отметили наличие такой коробки передач наряду с изображением модели на автомобиле. Недавно владелец классического Opel Commodore рассказал мне, что когда он покупал машину, она была на 3-х передачах и в среднем расходовала 20 л / 100 км. Когда он заменил коробку передач на четырехступенчатую, расход стал 15 л / 100 км, а после того, как он наконец получил пятиступенчатую, последний снизился до 10 литров.

Сегодня практически нет автомобилей с менее чем пятью передачами, и шесть скоростей становятся нормой в более высоких версиях компактных моделей. Идея шестой в большинстве случаев заключается в сильном снижении скорости на высоких оборотах, а в некоторых случаях, когда это не так долго и снижение скорости падает при переключении. Многоступенчатые трансмиссии особенно положительно влияют на дизельные двигатели, агрегаты которых имеют высокий крутящий момент, но значительно сокращенный рабочий диапазон из-за принципиального характера работы дизеля.

(следовать)

Текст: Георгий Колев