試乗車のトランスミッションの歴史 - パート 1

一連の記事では、最初の自動変速機の作成から 75 周年を記念して、乗用車とトラックの変速機の歴史について説明します。

1993年シルバーストーンでのレース前のテスト中に、ウィリアムズのテストドライバーであるデビッドクルサードは、新しいウィリアムズ FW 15C での次のテストのためにコースを離れました。濡れた舗装では、車はあちこちに水しぶきを上げますが、それでも誰もが 1 気筒エンジンの奇妙な単調な高速サウンドを聞くことができます。明らかに、フランク・ウィリアムは別の種類の伝達を使用しています。これが F1 エンジンのニーズを満たすように設計された無段変速機にすぎないことは、賢明な人には明らかですが、後に、遍在する Van Doorn の専門家の助けを借りて開発されたことが判明しました。感染の伝播。共謀する 80 つの企業は、過去 1965 年間にわたってこのプロジェクトに莫大なエンジニアリングと資金を投入し、スポーツクイーンのダイナミクスのルールを書き換えることができる、完全に機能するプロトタイプを作成しました。今日の YouTube ビデオでは、このモデルのテストを見ることができ、クルサード自身が彼女の仕事を気に入っていると主張しています。残念ながら、プロジェクトに携わった全員が労働の成果を失いました。立法者は、「不当な優位性」を理由に、フォーミュラでのそのようなパスの使用をすぐに禁止しました。ルールが変更され、V ベルト CVT または CVT トランスミッションは、この短い外観だけで歴史がありました。事件は終結し、ウィリアムズはセミオートマチックトランスミッションに戻るべきだ。セミオートマチックトランスミッションは今でもフォーミュラXNUMXの標準であり、XNUMX年代後半に革命となった. ちなみに、XNUMX年にバリオマチックトランスミッションを搭載したDAFがモータースポーツトラックへの参入を試みましたが、当時のメカニズムは非常に大きかったため、主観的な要因の介入がなくても失敗する運命にありました。しかし、それは別の話です。

現代の自動車産業における革新が、非常に才能のある、目の肥えた人々の頭の中で生まれた古いアイデアの結果であるという例を繰り返し引用しました。ギアボックスは機械的な性質があるため、適切なタイミングで実装する方法の代表的な例のXNUMXつです。今日では、高度な材料と製造プロセス、および電子政府の組み合わせにより、あらゆる形態の伝送において非常に効果的なソリューションの機会が生まれています。一方では消費量が少なくなる傾向と、寸法が縮小された新しいエンジンの特異性（たとえば、ターボホールをすばやく克服する必要性）により、より広い範囲のギア比を備えたオートマチックトランスミッションを作成する必要が生じます。多数のギア。彼らのより手頃な代替品は、日本の自動車メーカーがよく使用する小型車用のCVTや、イージートロニックなどの自動マニュアルトランスミッションです。オペル（小型車にも対応）。パラレルハイブリッドシステムのメカニズムは特定のものであり、排出削減努力の一環として、ドライブの電化は実際にトランスミッションで発生します。

エンジンはギアボックスなしでは実現できません

今日まで、人類は、ベルト、チェーン、ギアを使用する方法よりも、機械的エネルギーを直接伝達する効率的な方法（もちろん、油圧機構とハイブリッド電気システムを除く）を発明していません。もちろん、このトピックには無数のバリエーションがあり、近年この分野で最も優れた開発をリストすることで、その本質をよりよく理解できます。

1916 年にペンシルベニア州のプルマン社がギアを電気的にシフトするギアボックスを作成したため、電子シフトの概念、または制御機構をギアボックスに電子的に間接的に接続することは、最後の叫びではありません。改良された形で同じ動作原理を使用して、812 年後に前衛的なコード 1936 に搭載されました。コード XNUMX は、XNUMX 年に作成されたときだけでなく、最も未来的で素晴らしい車の XNUMX つです。工業デザインの功績を紹介する本の表紙に、このひもが使われているほどの意味があります。そのトランスミッションはエンジンからフロントアクスルにトルクを伝達し（！）、ギアシフトはステアリングコラムを表現するための直接フィリグリーであり、ギアを含む真空ダイアフラムを備えた電磁装置の複雑なシステムを作動させる特別な電気スイッチを作動させます。コードの設計者はこれらすべてをうまく組み合わせることができ、理論だけでなく実際にもうまく機能します。ギアシフトとクラッチ操作の同期を設定するのは本当に悪夢でした。当時の証拠によると、メカニックを精神病院に送ることができました。しかし、コードは高級車であり、その所有者は、このプロセスの正確さに対する多くの現代のメーカーのカジュアルな態度を受け入れる余裕がありませんでした.そしてしばしば突風。

「なぜそのようなデバイスを使用する必要があるのか」という疑問があるため、今日のより単純で普及しているマニュアルトランスミッションで同期がはるかに簡単なタスクであると主張する人は誰もいません。基本的な性格を持っています。この複雑なイベントの理由だけでなく、何十億ものビジネスニッチを切り開いているのは、燃焼エンジンの性質そのものにあります。たとえば、シリンダーに供給される蒸気の圧力が比較的簡単に変化する可能性がある蒸気エンジンとは異なり、その圧力は始動時および通常の動作中に変化する可能性があります。毎分ゼロ速度でも存在します（実際、それは最高であり、速度の増加に伴う電気モーターの効率の低下により、現在、電気自動車用トランスミッションのすべてのメーカーがXNUMX段階のオプションを開発しています）内部内燃エンジンは、最大出力に近い速度で最大出力が得られ、最大トルクは、最も最適な燃焼プロセスが発生する比較的狭い速度範囲で達成されるという特性を持っています。また、実際には、エンジンが最大トルク曲線（対応して最大動力発生曲線）で使用されることはほとんどありません。残念ながら、低回転時のトルクは最小限に抑えられており、トランスミッションが直接接続されている場合は、クラッチが切断されて発進できるようになっていても、広い速度範囲での発進、加速、運転などのアクティビティを実行することはできません。簡単な例を示します。エンジンが 1:1 の速度で伝達し、タイヤのサイズが 195/55 R 15 の場合 (ここでは、メインギアの存在から抽象化します)、理論的には車は次の速度で移動する必要があります。 320キロ。 /毎分3000回転のクランクシャフト回転。もちろん、車にはダイレクトギアまたはクローズギア、さらにはクローラーギアさえあります。その場合、最終的な駆動力も考慮に入れられるため、考慮に入れる必要があります。しかし、都市で60 km / hの通常の速度で運転することを推論するという元の論理を続ければ、エンジンは560 rpmしか必要ありません。もちろん、そのようなひもを行うことができるモーターはありません。もうXNUMXつ詳細があります - 純粋に物理的に、パワーはトルクと速度に正比例し（その式は速度xトルク/特定の係数として定義することもできます）、物理体の加速度はそれに加えられる力に依存するためです。 . 、理解してください、この場合、力、それはより速い加速のためにあなたがより速い速度とより多くの負荷を必要とするであろうことは論理的です（すなわち。トルク）。複雑に聞こえますが、実際には、これは次のことを意味します。テクノロジーをまったく理解していないドライバーでも、すぐに車を追い抜くには、XNUMX段またはXNUMX段下にシフトする必要があることがわかっています。したがって、ギアボックスを使用すると、同じ回転数のペダルを踏むだけですぐに高い回転数が得られるため、この目的のためにより多くのパワーが得られます。これがこの装置のタスクです。内燃機関の特性を考慮して、最適なモードでの動作を保証します。時速100 kmでXNUMX速で運転するのはかなり経済的ではありません。XNUMX速でトラックに適しているため、走行を開始することは不可能です。経済的な運転では、早期のギアシフトとエンジンの全負荷での運転（つまり、最大トルク曲線よりわずかに低い運転）が必要になるのは偶然ではありません。専門家は「低比消費電力」という用語を使用します。これは、中間の回転範囲であり、最大負荷に近い値です。次に、ガソリンエンジンのスロットルバルブが大きく開き、ポンピングロスが減少し、シリンダー圧力が増加するため、化学反応の品質が向上します。速度を下げると摩擦が減り、完全に充填されるまでの時間が長くなります。レースカーは常に高速で走行し、多数のギア（フォーミュラ1ではXNUMXつ）を備えています。これにより、シフト時の減速が可能になり、出力が大幅に低い領域への移行が制限されます。

実際には、古典的なギアボックスなしでそれを行うことができますが...

ハイブリッドシステム、特にトヨタプリウスなどのハイブリッドシステムの場合。この車には、記載されているタイプのトランスミッションはありません。ギアボックスはほとんどありません！これが可能なのは、前述の欠点が電気システムによって補償されるためです。トランスミッションは、内燃機関と 60 つの電気機械を組み合わせた遊星歯車、いわゆるパワースプリッターに置き換えられます。ハイブリッドシステム、特にプリウスの作成に関する本でその操作の選択的な説明を読んでいない人のために、私たちはメカニズムが可能であるとだけ言うでしょう.内燃機関の機械的エネルギーの一部が直接、機械的、部分的に伝達され、電気に変換され（発電機としての 7 つの機械の助けを借りて）、再び機械に変換されます（電気モーターとしての別の機械の助けを借りて）。 . トヨタ (元のアイデアは XNUMX 年代のアメリカの企業 TRW でした) によるこの創造の天才は、非常に低いギアの必要性を回避し、エンジンが効率的なモードで動作することを可能にする高い始動トルクを提供することです。最大負荷で、可能な限り最高のギアをシミュレートし、電気システムが常にバッファーとして機能します。加速とシフトダウンのシミュレーションが必要な場合は、発電機を制御することでエンジン速度を上げ、それに応じて高度な電子電流制御システムを使用してその速度を上げます。ハイギアをシミュレートする場合、エンジンの速度を制限するために XNUMX 台の車でも役割を切り替える必要があります。この時点で、システムは「電力循環」モードに入り、その効率が大幅に低下します。これが、このタイプのハイブリッド車の高速での燃料消費量の急激な表示を説明しています。したがって、この技術は実際には都市交通に便利な妥協案です。なぜなら、電気システムが古典的なギアボックスの欠如を完全に補うことができないことは明らかだからです。この問題を解決するために、ホンダのエンジニアは、新しい洗練されたハイブリッドハイブリッドシステムでシンプルかつ独創的なソリューションを使用して、トヨタに対抗しています。彼らは、高速ハイブリッドメカニズムの代わりに作動する XNUMX 番目のマニュアルトランスミッションを追加するだけです。これらすべては、ギアボックスの必要性を示すのに十分説得力があるかもしれません. もちろん、可能であれば、多数のギアを使用できます-実際には、手動制御では、ドライバーが多数のギアを持つことは単に快適ではなく、価格が高くなります。現時点では、ポルシェ（DSGベース）やシボレー・コルベットに見られるようなXNUMX速マニュアルトランスミッションは非常にまれです。

すべてはチェーンとベルトから始まります

したがって、速度とトルクに応じて、さまざまな条件で必要なパワーの特定の値が必要になります。そしてこの方程式では、最新のエンジン技術に加えて、効率的なエンジン動作と燃料消費の削減の必要性が、トランスミッションの重要性を増しています。

当然のことながら、発生する最初の問題は始動です。最初の乗用車では、ギアボックスの最も一般的な形式は、自転車から借用したチェーンドライブ、または異なる直径のベルトプーリーに作用するベルトドライブでした。実際には、ベルトドライブに不愉快な驚きはありませんでした。チェーンパートナーと同じくらいうるさいだけでなく、歯を折ることもできませんでした。これは、当時のドライバーが「トランスミッションレタス」と呼んだ原始的な歯車機構から知られていました。世紀の変わり目以来、クラッチやギアを持たず、トロイダルギアボックスに日産とマツダを使用する、いわゆる「フリクションホイールドライブ」で実験が行われてきました (これについては後で説明します)。しかし、歯車に代わるものには多くの重大な欠点もありました。ベルトは長時間の負荷や速度の上昇に耐えることができず、すぐに緩んで破れ、摩擦車の「パッド」は急速に摩耗しました。いずれにせよ、自動車産業の黎明期から間もなくギアが必要になり、この段階ではトルクを伝達するための唯一の選択肢であり続けました。

機械式トランスミッションの誕生

レオナルドダヴィンチは彼のメカニズムのために歯車を設計および製造しましたが、高品質の鋼および金属加工機械を作成するための適切な冶金技術が利用可能になったおかげで、強力で適度に正確で耐久性のある歯車の製造が可能になったのは1880年だけでした。作業の精度が比較的高い。歯車の摩擦損失はわずか2％に減少します！これはギアボックスの一部として不可欠になった瞬間でしたが、一般的なメカニズムでの統合と配置に問題が残っていました。革新的なソリューションの例は、1897年のダイムラーフェニックスです。今日の理解によれば、さまざまなサイズのギアが実際に「組み立てられ」、XNUMX速に加えてリバースギアも備えています。 XNUMX年後、パッカードは、文字「H」の末尾にギアレバーのよく知られた位置を使用した最初の会社になりました。その後の数十年で、ギアはもはやなくなりましたが、メカニズムはより簡単な作業の名の下に改善され続けました。彼の最初の生産車に遊星ギアボックスを装備したカールベンツは、1929年にキャデラックとラサールによって開発された最初の同期ギアボックスの出現をなんとか生き延びました。 XNUMX年後、シンクロナイザーはすでにメルセデス、マティス、マイバッハ、ホルヒ、そして別のヴォクソール、フォード、ロールスロイスで使用されていました。 XNUMXつの詳細-すべてが同期されていない最初のギアを持っていたため、ドライバーは非常にイライラし、特別なスキルが必要でした. 最初の完全に同期されたギアボックスは、1933年XNUMX月に英国のAlvis Speed Twentyによって使用され、「ギアファクトリー」ZFという名前が付けられている有名なドイツの会社によって作成されました。シンクロナイザーが他のブランドにインストールされ始めたのは30年代半ばまででしたが、より安価な車やトラックでは、ドライバーはギアを動かしたりシフトしたりするためにギアレバーに苦労し続けました。実際、この種の不便さの問題に対する解決策は、1899年から1910年にかけて、ギアペアを常にかみ合わせてシャフトに接続することも目的とした、さまざまなトランスミッション構造の助けを借りて、はるかに早くから求められていました。ギアが常にかみ合っている興味深いトランスミッションを開発し、セカンダリシャフトへの接続は小さなカップリングを使用して実行されます。 Panhard-Levasseurも同様の開発を行いましたが、その開発では、恒久的に噛み合った歯車がピンを使用してシャフトにしっかりと接続されていました。もちろん、設計者は、ドライバーにとってより簡単にし、不必要な損傷から車を保護する方法について考えるのをやめませんでした。 1914年、キャデラックのエンジニアは、巨大なエンジンのパワーを利用して、電気的にシフトし、ギア比を4,04：から2,5：1に変更できる調整可能なファイナルドライブを車に装備できると判断しました。

20 年代と 30 年代は、何年にもわたる知識の絶え間ない蓄積の一部である信じられないほどの発明の時代でした。たとえば、1931 年にフランスの会社 Cotal は、ステアリングホイールの小さなレバーで制御される電磁シフトマニュアルトランスミッションを作成しました。これは、床に置かれた小さなアイドルレバーと組み合わされていました。後者の機能について言及するのは、XNUMX つの後退ギアとまったく同じ数の前進ギアを車に搭載できるためです。当時、Delage、Delahaye、Salmson、Voisin などの有名ブランドが Kotal の発明に関心を持っていました。前述の多くの現代の後輪駆動ギアの奇妙で忘れられた「利点」に加えて、この信じられないほどのギアボックスには、エンジン負荷のために速度が低下したときにギアをシフトするFleschel自動シフターと「相互作用」する機能もあります。プロセスを自動化する最初の試みの XNUMX つ。

40代と50代のほとんどの車には、エンジンが4000 rpmを超えて開発しなかったため、60つのギアがありました。回転数、トルク、パワー曲線の増加に伴い、70つのギアは回転範囲をカバーしなくなりました。その結果、持ち上げるときに特徴的な「驚異的な」トランスミッションがあり、下のシフトにシフトするときに過度の力がかかる不調和な動きが起こりました。この問題に対する論理的な解決策は、3年代に20速ギアボックスに大幅にシフトしたことでした。100年代の最初の15速ギアボックスは、車のモデルイメージとともにそのようなギアボックスの存在を誇らしげに記録したメーカーにとって重要なマイルストーンでした。最近、古典的なオペルコモドールの所有者は、彼が車を買ったとき、それは100ギアで平均10 l / XNUMX kmだったと私に言った。彼がギアボックスをXNUMX速ギアボックスに交換したとき、消費量はXNUMX l / XNUMX kmでした、そして、彼が最終的にXNUMX速度を得た後、後者はXNUMXリットルに落ちました。

今日、ギアがXNUMX未満の車は事実上存在せず、コンパクトモデルの上位バージョンではXNUMX速が標準になっています。 XNUMX番目のアイデアは、ほとんどの場合、高回転での速度の大幅な低下であり、場合によっては、それほど長くなく、変速時に速度の低下が低下することもあります。多段変速機は、ディーゼルエンジンに特に良い影響を与えます。そのユニットは高トルクですが、ディーゼルエンジンの基本的な性質により、動作範囲が大幅に狭められています。

（フォローする）

テキスト：Georgy Kolev