Test drive La storia delle trasmissioni automobilistiche - Parte 1

In una serie di articoli vi racconteremo la storia delle trasmissioni per auto e camion, magari in occasione del 75° anniversario della creazione del primo cambio automatico.

1993 Durante i test pre-gara a Silverstone, il collaudatore della Williams David Coulthard lascia la pista per il prossimo test con la nuova Williams FW 15C. Sul marciapiede bagnato, l'auto schizza ovunque, ma tutti possono ancora sentire lo strano suono monotono ad alta velocità di un motore a dieci cilindri. Ovviamente, Frank William usa un diverso tipo di trasmissione. È chiaro agli illuminati che questa non è altro che una trasmissione a variazione continua progettata per soddisfare le esigenze di un motore di Formula 1. Successivamente si è scoperto che è stato sviluppato con l'aiuto degli onnipresenti specialisti di Van Doorn. trasmissione dell'infezione. Le due società cospiratrici hanno riversato ingenti risorse ingegneristiche e finanziarie in questo progetto negli ultimi quattro anni per creare un prototipo perfettamente funzionante che potesse riscrivere le regole della dinamica nella regina dello sport. Nel video di YouTube di oggi puoi vedere i test di questo modello, e lo stesso Coulthard afferma che gli piace il suo lavoro - soprattutto in curva, dove non c'è bisogno di perdere tempo a scalare - tutto è curato dall'elettronica. Sfortunatamente, tutti coloro che hanno lavorato al progetto hanno perso i frutti del proprio lavoro. I legislatori si sono affrettati a vietare l'uso di tali passaggi in Formula, presumibilmente a causa di "vantaggio ingiusto". Le regole sono state cambiate e le trasmissioni CVT o CVT con cinghia trapezoidale erano storia con solo questa breve apparizione. Il caso è chiuso e la Williams dovrebbe tornare alle trasmissioni semiautomatiche, che sono ancora di serie in Formula 1 e che, a loro volta, sono diventate una rivoluzione alla fine degli anni '80. A proposito, nel lontano 1965, DAF con la trasmissione Variomatic tentò di entrare nella pista del motorsport, ma a quel tempo il meccanismo era così massiccio che anche senza l'intervento di fattori soggettivi era destinato al fallimento. Ma questa è un'altra storia.

Abbiamo più volte citato esempi di quanta innovazione nella moderna industria automobilistica sia il risultato di vecchie idee nate nella testa di persone estremamente dotate e perspicaci. A causa della loro natura meccanica, i riduttori sono uno dei primi esempi di come possono essere implementati quando è il momento giusto. Al giorno d'oggi, la combinazione di materiali avanzati e processi di produzione e e-government ha creato l'opportunità di soluzioni incredibilmente efficaci in tutte le forme di trasmissione. La tendenza al minor consumo da un lato e la specificità dei nuovi motori con dimensioni ridotte (ad esempio, la necessità di superare rapidamente un buco del turbo) portano alla necessità di creare trasmissioni automatiche con una gamma più ampia di rapporti di trasmissione e, di conseguenza, un gran numero di ingranaggi. Le loro alternative più convenienti sono i CVT per piccole auto, spesso utilizzati dalle case automobilistiche giapponesi e le trasmissioni manuali automatiche come Easytronic. Opel (anche per auto piccole). I meccanismi dei sistemi ibridi paralleli sono specifici e, come parte degli sforzi di riduzione delle emissioni, l'elettrificazione del motore si verifica effettivamente nelle trasmissioni.

Un motore non può fare a meno di un cambio

Ad oggi, l'umanità non ha inventato un metodo più efficiente di trasmissione diretta dell'energia meccanica (ad eccezione, ovviamente, dei meccanismi idraulici e dei sistemi elettrici ibridi) rispetto ai metodi che utilizzano cinghie, catene e ingranaggi. Naturalmente, ci sono innumerevoli variazioni su questo argomento e puoi comprenderne meglio l'essenza elencando gli sviluppi più importanti in quest'area negli ultimi anni.

Il concetto di cambio elettronico, o collegamento elettronico indiretto del meccanismo di controllo al cambio, è tutt'altro che all'ultimo grido, perché nel 1916 la società Pullman della Pennsylvania creò un cambio che cambia marcia elettricamente. Utilizzando lo stesso principio di funzionamento in una forma migliorata, vent'anni dopo fu installato nell'avanguardista Cord 812, una delle auto più futuristiche e meravigliose non solo nel 1936, quando fu creata. È abbastanza significativo che questo cavo possa essere trovato sulla copertina di un libro sulle conquiste del design industriale. La sua trasmissione trasmette la coppia dal motore all'asse anteriore (!), e il cambio è filigrana diretta per l'allora rappresentazione del piantone dello sterzo, che aziona speciali interruttori elettrici che attivano un complesso sistema di dispositivi elettromagnetici con diaframmi a vuoto, compresi gli ingranaggi. I progettisti di cavi sono riusciti a combinare tutto questo con successo e funziona alla grande non solo in teoria, ma anche in pratica. Era un vero incubo impostare la sincronizzazione tra cambio marcia e funzionamento della frizione e, secondo le testimonianze dell'epoca, era possibile mandare un meccanico in un ospedale psichiatrico. Tuttavia, la Cord era un'auto di lusso ei suoi proprietari non potevano permettersi l'atteggiamento casuale di molti produttori moderni nei confronti dell'accuratezza di questo processo: in pratica, la maggior parte delle trasmissioni automatizzate (spesso chiamate robotiche o semiautomatiche) cambia con un ritardo caratteristico, e spesso raffiche.

Nessuno sostiene che la sincronizzazione sia un compito molto più semplice con le trasmissioni manuali oggi più semplici e diffuse, perché la domanda "Perché è necessario utilizzare un dispositivo del genere?" Ha un carattere fondamentale. La ragione di questo difficile evento, ma anche l'apertura di una nicchia di affari per miliardi, risiede nella natura stessa del motore a combustione. A differenza, ad esempio, di un motore a vapore, in cui la pressione del vapore fornito ai cilindri può cambiare in modo relativamente semplice e la sua pressione può cambiare durante l'avviamento e il normale funzionamento, o da un motore elettrico, in cui un forte campo magnetico di guida esiste anche a velocità zero al minuto (infatti, allora è la più alta e, a causa della diminuzione dell'efficienza dei motori elettrici con l'aumentare della velocità, tutti i produttori di trasmissioni per veicoli elettrici stanno attualmente sviluppando opzioni a due stadi) un interno motore a combustione ha una caratteristica in cui la massima potenza viene raggiunta a velocità vicine al massimo e la coppia massima - in una gamma di velocità relativamente piccola, in cui si verificano i processi di combustione più ottimali. Va inoltre notato che nella vita reale il motore viene utilizzato raramente sulla curva di coppia massima (rispettivamente, sulla curva di sviluppo di potenza massima). Purtroppo la coppia ai bassi regimi è minima, e se la trasmissione è direttamente collegata, anche con una frizione che si disinnesta e consente la partenza, l'auto non sarà mai in grado di compiere azioni come avviamento, accelerazione e guida ad ampio range di velocità. Ecco un semplice esempio: se il motore trasmette la sua velocità 1: 1 e la dimensione del pneumatico è 195/55 R 15 (per ora, astraendo dalla presenza della marcia principale), teoricamente l'auto dovrebbe muoversi a una velocità di 320 km. / ha 3000 giri al minuto dell'albero motore. Naturalmente, le auto hanno marce dirette o ravvicinate e persino ingranaggi cingolati, nel qual caso anche la trasmissione finale entra nell'equazione e deve essere presa in considerazione. Tuttavia, se continuiamo la logica originale del ragionamento sulla guida a una velocità normale di 60 km / h in città, il motore avrà bisogno solo di 560 giri / min. Naturalmente, non esiste un motore in grado di fare un simile spago. C'è un altro dettaglio: perché, puramente fisicamente, la potenza è direttamente proporzionale alla coppia e alla velocità (la sua formula può anche essere definita come velocità x coppia / un certo coefficiente) e l'accelerazione di un corpo fisico dipende dalla forza applicata ad esso . , comprendi, in questo caso, la potenza, è logico che per un'accelerazione più rapida avrai bisogno di velocità più elevate e più carico (es. coppia). Sembra complicato, ma in pratica questo significa quanto segue: ogni guidatore, anche chi non capisce nulla di tecnologia, sa che per sorpassare rapidamente un'auto è necessario abbassare una o anche due marce. Pertanto, è con il cambio che eroga istantaneamente regimi più elevati e quindi più potenza per questo scopo con lo stesso grado di pressione sul pedale. Questo è il compito di questo dispositivo, tenendo conto delle caratteristiche del motore a combustione interna, per garantirne il funzionamento nella modalità ottimale. Guidare in prima marcia a una velocità di 100 km / h sarà abbastanza antieconomico, e in sesta, adatta alla pista, è impossibile mettersi in moto. Non è un caso che una guida economica richieda cambi di marcia anticipati e il motore acceso a pieno carico (ovvero una guida leggermente al di sotto della curva di coppia massima). Gli esperti usano il termine "basso consumo specifico di energia", che è nella gamma di regimi medi e vicino al carico massimo. Quindi la valvola a farfalla dei motori a benzina si apre di più e riduce le perdite di pompaggio, aumenta la pressione dei cilindri e quindi migliora la qualità delle reazioni chimiche. Le velocità inferiori riducono l'attrito e consentono più tempo per riempire completamente. Le auto da corsa corrono sempre ad alta velocità e hanno un gran numero di marce (otto in Formula 1), che consente una velocità ridotta durante il cambio e limita il passaggio alle aree con una potenza significativamente inferiore.

In effetti, può fare a meno di un cambio classico, ma ...

Il caso dei sistemi ibridi e in particolare dei sistemi ibridi come la Toyota Prius. Questa vettura non ha una trasmissione di nessuno dei tipi elencati. Praticamente non ha cambio! Ciò è possibile perché le suddette carenze sono compensate dall'impianto elettrico. La trasmissione è sostituita da un cosiddetto power splitter, un ingranaggio planetario che combina un motore a combustione interna e due macchine elettriche. Per chi non avesse letto la selettiva spiegazione del suo funzionamento nei libri sui sistemi ibridi e soprattutto sulla creazione della Prius (questi ultimi sono disponibili sulla versione online del nostro sito ams.bg), diremo solo che il meccanismo permette parte dell'energia meccanica del motore a combustione interna da trasferire direttamente, meccanicamente e parzialmente, convertita in elettrica (con l'ausilio di una macchina come generatore) e nuovamente in meccanica (con l'ausilio di un'altra macchina come motore elettrico) . La genialità di questa creazione di Toyota (la cui idea originale è stata l'azienda americana TRW degli anni '60) è quella di fornire un'elevata coppia di spunto, che evita la necessità di marce molto basse e consente al motore di funzionare in modalità efficienti. al massimo carico, simulando la marcia più alta possibile, con l'impianto elettrico che funge sempre da buffer. Quando è richiesta la simulazione dell'accelerazione e della scalata, la velocità del motore viene aumentata controllando il generatore e, di conseguenza, la sua velocità utilizzando un sofisticato sistema elettronico di controllo della corrente. Quando si simulano marce alte, anche due auto devono scambiarsi i ruoli per limitare la velocità del motore. A questo punto, il sistema entra in modalità "circolazione di potenza" e la sua efficienza è notevolmente ridotta, il che spiega la nitida visualizzazione del consumo di carburante di questo tipo di veicoli ibridi alle alte velocità. Quindi, questa tecnologia è in pratica un compromesso conveniente per il traffico urbano, poiché è ovvio che l'impianto elettrico non può compensare completamente l'assenza di un cambio classico. Per risolvere questo problema, gli ingegneri Honda stanno utilizzando una soluzione semplice ma ingegnosa nel loro nuovo sofisticato sistema ibrido ibrido per competere con Toyota: aggiungono semplicemente una sesta trasmissione manuale che si innesta al posto del meccanismo ibrido ad alta velocità. Tutto ciò potrebbe essere abbastanza convincente da mostrare la necessità di un cambio. Ovviamente, se possibile con un numero elevato di marce, il fatto è che con il controllo manuale semplicemente non sarà comodo per il guidatore avere un numero elevato e il prezzo aumenterà. Al momento, le trasmissioni manuali a 7 marce come quelle che si trovano su Porsche (basate su DSG) e Chevrolet Corvette sono piuttosto rare.

Tutto inizia con catene e cinture

Pertanto, condizioni diverse richiedono determinati valori della potenza richiesta a seconda della velocità e della coppia. E in questa equazione, la necessità di un funzionamento efficiente del motore e di un ridotto consumo di carburante, oltre alla moderna tecnologia dei motori, la trasmissione sta diventando una sfida sempre più importante.

Naturalmente, il primo problema che si pone è l'inizio: nelle prime autovetture, la forma più comune di cambio era una trasmissione a catena, presa in prestito da una bicicletta, o una trasmissione a cinghia che agiva su pulegge di diverso diametro. In pratica, non ci sono state spiacevoli sorprese nella trasmissione a cinghia. Non solo era rumoroso come i suoi compagni di catena, ma non poteva nemmeno rompere i denti, cosa nota dai primitivi meccanismi a ingranaggi che i conducenti all'epoca chiamavano "lattuga di trasmissione". Dall'inizio del secolo sono stati condotti esperimenti con la cosiddetta "trazione a ruota di attrito", che non ha frizione né ingranaggi, e utilizza Nissan e Mazda nei loro cambi toroidali (di cui si parlerà più avanti). Tuttavia, le alternative alle ruote dentate presentavano anche una serie di gravi inconvenienti: le cinghie non potevano sopportare carichi prolungati e velocità crescenti, si allentavano rapidamente e si strappavano e le "cuscinetti" delle ruote di frizione erano soggette a un'usura troppo rapida. In ogni caso, poco dopo l'alba dell'industria automobilistica, gli ingranaggi si sono resi necessari e sono rimasti l'unica opzione in questa fase per trasmettere la coppia per un periodo di tempo piuttosto lungo.

La nascita di una trasmissione meccanica

Leonardo da Vinci progettò e produsse ruote dentate per i suoi meccanismi, ma la produzione di ruote dentate robuste, ragionevolmente precise e durevoli divenne possibile solo nel 1880 grazie alla disponibilità di tecnologie metallurgiche appropriate per la creazione di acciai di alta qualità e macchine per la lavorazione dei metalli. precisione di lavoro relativamente elevata. Le perdite per attrito negli ingranaggi sono ridotte solo al 2%! Questo è stato il momento in cui sono diventati indispensabili come parte del cambio, ma il problema è rimasto con la loro unificazione e posizionamento nel meccanismo generale. Un esempio di soluzione innovativa è la Daimler Phoenix del 1897, in cui ingranaggi di varie dimensioni venivano "montati" in un vero e proprio, secondo l'interpretazione odierna, un cambio, che, oltre alle quattro velocità, dispone anche di una retromarcia. Due anni dopo, Packard è diventata la prima azienda ad utilizzare il noto posizionamento della leva del cambio alle estremità della lettera "H". Nei decenni successivi gli ingranaggi non c'erano più, ma i meccanismi continuavano ad essere migliorati in nome di un lavoro più agevole. Carl Benz, che dotò le sue prime vetture di serie di un cambio planetario, riuscì a sopravvivere all'apparizione dei primi cambi sincronizzati creati da Cadillac e La Salle nel 1929. Due anni dopo, i sincronizzatori erano già in uso da Mercedes, Mathis, Maybach e Horch, e poi da un'altra Vauxhall, Ford e Rolls-Royce. Un dettaglio: tutti avevano una prima marcia non sincronizzata, che infastidiva molto i conducenti e richiedeva abilità speciali. Il primo cambio completamente sincronizzato fu utilizzato dall'inglese Alvis Speed ​​Twenty nell'ottobre 1933 e fu realizzato dalla famosa azienda tedesca, che porta ancora il nome "Gear Factory" ZF, a cui faremo spesso riferimento nella nostra storia. Non è stato fino alla metà degli anni '30 che i sincronizzatori hanno iniziato ad essere installati su altre marche, ma in auto e camion più economici, i conducenti hanno continuato a lottare con la leva del cambio per spostare e cambiare marcia. In effetti, una soluzione al problema di questo genere di inconvenienti fu cercata molto prima con l'ausilio di varie strutture di trasmissione, finalizzate anche ad ingranare costantemente le coppie di ingranaggi e collegarle all'albero - nel periodo dal 1899 al 1910, De Dion Bouton ha sviluppato un'interessante trasmissione in cui gli ingranaggi sono costantemente ingranati e il loro collegamento all'albero secondario viene effettuato mediante piccoli giunti. Panhard-Levasseur ha avuto uno sviluppo simile, ma nel loro sviluppo, gli ingranaggi permanentemente impegnati erano saldamente collegati all'albero mediante perni. I designer, ovviamente, non hanno smesso di pensare a come rendere più facile per i conducenti e proteggere le auto da danni inutili. Nel 1914, gli ingegneri Cadillac decisero che potevano sfruttare la potenza dei loro enormi motori e dotare le auto di una trasmissione finale regolabile che poteva cambiare elettricamente e cambiare il rapporto di trasmissione da 4,04: a 2,5: 1.

Gli anni '20 e '30 sono stati un periodo di incredibili invenzioni che fanno parte del costante accumulo di conoscenza nel corso degli anni. Ad esempio, nel 1931, l'azienda francese Cotal realizzò un cambio manuale con cambio elettromagnetico comandato da una piccola leva sul volante, che, a sua volta, era abbinata ad una piccola leva del minimo posta sul pavimento. Citiamo quest'ultima caratteristica perché permette alla vettura di avere esattamente tante marce avanti quante sono le quattro retromarce. A quel tempo, marchi prestigiosi come Delage, Delahaye, Salmson e Voisin erano interessati all'invenzione di Kotal. Oltre al già citato bizzarro e dimenticato "vantaggio" di molti moderni cambi a trazione posteriore, questo incredibile cambio ha anche la capacità di "interagire" con un cambio automatico Fleschel che cambia marcia al diminuire della velocità dovuto al carico del motore ed è infatti uno dei primi tentativi di automatizzare il processo.

La maggior parte delle auto degli anni '40 e '50 aveva tre marce perché i motori non sviluppavano più di 4000 giri / min. Con l'aumento dei giri, della coppia e delle curve di potenza, le tre marce non coprivano più il range di giri. Il risultato è stato un movimento disarmonico con una caratteristica trasmissione "sbalorditiva" durante il sollevamento e una forzatura eccessiva quando si passa a uno inferiore. La soluzione logica al problema è stato il massiccio passaggio a un cambio a quattro marce negli anni '60, ei primi cambi a cinque marce negli anni '70 sono stati una pietra miliare significativa per i produttori che hanno notato con orgoglio la presenza di un tale cambio insieme all'immagine del modello sull'auto. Recentemente il proprietario di una Opel Commodore classica mi ha detto che quando ha acquistato l'auto, aveva 3 marce e una media di 20 l / 100 km. Quando ha cambiato il cambio con un cambio a quattro marce, il consumo era di 15 l / 100 km, e dopo aver finalmente ottenuto un cinque marce, quest'ultimo è sceso a 10 litri.

Oggi non ci sono praticamente auto con meno di cinque marce e sei velocità stanno diventando la norma nelle versioni superiori dei modelli compatti. La sesta idea nella maggior parte dei casi è una forte riduzione della velocità agli alti regimi, e in alcuni casi, quando non è così lunga e la riduzione della velocità diminuisce quando si cambia. Le trasmissioni multistadio hanno un effetto particolarmente positivo sui motori diesel, unità dei quali hanno una coppia elevata, ma un range di funzionamento notevolmente ridotto a causa della natura fondamentale del motore diesel.

(da seguire)

Testo: Georgy Kolev