시승 자동차 변속기의 역사 - 1부

일련의 기사에서 우리는 자동차 및 트럭용 변속기의 역사에 대해 이야기할 것입니다. 아마도 최초의 자동 변속기가 탄생한 지 75주년을 기념하는 의미일 것입니다.

1993 Silverstone에서 레이스 전 테스트 중에 Williams 테스트 드라이버 David Coulthard는 새로운 Williams FW 15C의 다음 테스트를 위해 트랙을 떠났습니다. 젖은 포장 도로에서는 차가 사방에서 튀었지만 여전히 모든 사람들은 1 기통 엔진의 이상한 단조로운 고속 소리를들을 수 있습니다. 분명히 Frank William은 다른 종류의 전송을 사용합니다. 깨달은 사람들에게는 이것이 Formula 1 엔진의 요구 사항을 충족하도록 설계된 연속 가변 변속기에 지나지 않는다는 것이 분명하지만 나중에 유비쿼터스 Van Doorn 전문가의 도움으로 개발된 것으로 밝혀졌습니다. 감염 전파. 공모한 두 회사는 스포츠 여왕의 역학 규칙을 다시 작성할 수 있는 완전한 기능의 프로토타입을 만들기 위해 지난 80년 동안 이 프로젝트에 막대한 엔지니어링 및 재정 자원을 투입했습니다. 오늘 YouTube 비디오에서이 모델의 테스트를 볼 수 있으며 Coulthard 자신은 자신이 자신의 작업을 좋아한다고 주장합니다. 특히 다운 시프트에 시간을 낭비 할 필요가없는 구석에서 모든 것이 전자 장치로 처리됩니다. 불행히도 프로젝트에 참여한 모든 사람들은 노동의 결실을 잃었습니다. 입법자들은 "불공정한 이점"으로 인해 포뮬러에서 이러한 패스의 사용을 신속하게 금지했습니다. 규칙이 변경되었고 V-벨트 CVT 또는 CVT 변속기는 이 짧은 모습으로 역사에 남게 되었습니다. 사건은 종결되었고 Williams는 여전히 Formula 1965의 표준이며 XNUMX년대 후반에 혁명이 된 반자동 변속기로 돌아가야 합니다. 그건 그렇고, XNUMX 년에 Variomatic 변속기가 장착 된 DAF는 모터 스포츠 트랙에 진입하려고 시도했지만 당시에는 메커니즘이 너무 커서 주관적인 요인의 개입 없이도 실패 할 운명이었습니다. 그러나 그것은 또 다른 이야기입니다.

우리는 현대 자동차 산업에서 얼마나 많은 혁신이 매우 재능 있고 안목 있는 사람들의 머리에서 태어난 오래된 아이디어의 결과인지에 대한 예를 반복해서 인용했습니다. 기계적 특성으로 인해 기어박스는 적절한 시기에 구현하는 방법에 대한 가장 명확한 예 중 하나입니다. 오늘날 첨단 재료 및 제조 공정과 전자 정부의 결합은 모든 형태의 전송에서 믿을 수 없을 정도로 효과적인 솔루션을 위한 기회를 창출했습니다. 한편으로는 더 낮은 소비를 향한 추세와 감소된 치수(예: 터보 구멍을 빠르게 극복해야 하는 필요성)를 가진 새로운 엔진의 특수성으로 인해 더 넓은 범위의 기어비를 가진 자동 변속기를 생성할 필요가 있으며 이에 따라, 많은 수의 기어. 더 저렴한 대안은 일본 자동차 제조업체에서 자주 사용하는 소형차용 CVT와 Easytronic과 같은 자동 수동 변속기입니다. Opel(소형차용). 병렬 하이브리드 시스템의 메커니즘은 구체적이며 배기가스 저감 노력의 일환으로 변속기에서 구동 전기화가 실제로 발생합니다.

엔진은 기어 박스 없이는 할 수 없습니다

지금까지 인류는 벨트, 체인 및 기어를 사용하는 방법보다 기계적 에너지 (물론 유압 메커니즘 및 하이브리드 전기 시스템 제외)를 직접 전달하는 더 효율적인 방법을 발명하지 않았습니다. 물론이 주제에는 수많은 변형이 있으며 최근 몇 년 동안이 분야에서 가장 뛰어난 발전을 나열하면 그 본질을 더 잘 이해할 수 있습니다.

1916년 펜실베니아의 Pullman 회사가 기어를 전기적으로 변속하는 기어박스를 만들었기 때문에 전자식 변속 또는 제어 메커니즘을 기어박스에 전자적으로 간접적으로 연결하는 개념은 마지막 외침과는 거리가 멀다. 동일한 작동 원리를 개선된 형태로 사용하여 812년 후 아방가르드 코드 1936에 설치되었습니다. 이 차량은 XNUMX년에 제작되었을 뿐만 아니라 가장 미래적이고 멋진 자동차 중 하나입니다. 산업디자인의 성과를 다룬 책의 표지에서 이 끈을 발견할 수 있을 정도로 의미가 깊다. 변속기는 엔진에서 앞 차축(!)으로 토크를 전달하고 기어 변속은 기어를 포함하여 진공 다이어프램이 있는 복잡한 전자기 장치 시스템을 활성화하는 특수 전기 스위치를 활성화하는 스티어링 칼럼의 당시 표현을 위한 직접적인 선조입니다. 코드 디자이너는 이 모든 것을 성공적으로 결합했으며 이론뿐만 아니라 실제로도 훌륭하게 작동합니다. 기어 변속과 클러치 작동 사이의 동기화를 설정하는 것은 정말 악몽이었고 당시의 증거에 따르면 정비사를 정신 병원에 보낼 수있었습니다. 그러나 Cord는 고급 자동차였으며 소유자는이 프로세스의 정확성에 대한 많은 현대 제조업체의 우연한 태도를 감당할 수 없었습니다. 그리고 종종 돌풍.

"왜 그런 장치를 사용해야 하는가?" 근본적인 성질을 가지고 있습니다. 이 복잡한 이벤트의 이유는 또한 수십억의 비즈니스 틈새 시장을 열어주는 이유는 연소 엔진의 본질에 있습니다. 예를 들어, 실린더에 공급되는 증기의 압력이 상대적으로 쉽게 변할 수 있는 증기 엔진과 달리 시동 및 정상 작동 중에 압력이 변할 수 있습니다. 또한 제로 속도로 존재합니다. 연소 엔진은 최대에 가까운 속도에서 최대 출력을 달성하고 가장 최적의 연소 과정이 발생하는 상대적으로 작은 범위의 속도에서 최대 토크를 달성하는 특성을 가지고 있습니다. 또한 실제 생활에서 엔진은 최대 토크 곡선 (최대 전력 개발 곡선에 해당)에서 거의 사용되지 않는다는 점에 유의해야합니다. 안타깝게도 낮은 회전 수에서 토크는 최소화되며, 클러치를 풀고 시동을 허용하는 클러치를 사용해도 변속기가 직접 연결되어 있으면 차량은 넓은 속도 범위에서 시동, 가속 및 운전과 같은 활동을 수행 할 수 없습니다. 다음은 간단한 예입니다. 엔진이 속도 1:1을 전송하고 타이어 크기가 195/55 R 15인 경우(현재는 메인 기어의 존재에서 추상화) 이론적으로 자동차는 다음 속도로 움직여야 합니다. 320km. / 분당 3000 크랭크 샤프트 회전에서 시간. 물론 자동차에는 직접 또는 근접 기어와 심지어 크롤러 기어가 있으며,이 경우 최종 드라이브도 방정식에 포함되므로 고려해야합니다. 그러나 도시에서 60km / h의 정상 속도로 운전하는 것에 대한 원래의 논리를 계속한다면 엔진은 560 rpm 만 필요합니다. 물론 이러한 꼬기를 할 수있는 모터는 없습니다. 세부 사항이 하나 더 있습니다. 순전히 물리적으로 힘은 토크와 속도에 정비례하고(공식은 속도 x 토크/특정 계수로도 정의될 수 있음) 물리적 신체의 가속도는 적용되는 힘에 따라 달라지기 때문입니다. . ,이 경우 힘을 이해하십시오. 더 빠른 가속을 위해서는 더 높은 속도와 더 많은 부하가 필요하다는 것이 논리적입니다 (예 : 토크). 복잡하게 들리지만 실제로는 다음을 의미합니다. 모든 운전자, 심지어 기술을 전혀 이해하지 못하는 사람도 차를 빠르게 추월하려면 XNUMX 단 또는 XNUMX 단 기어를 낮춰야한다는 것을 알고 있습니다. 따라서 동일한 수준의 페달 압력으로 더 높은 회전 수를 즉시 제공하므로 이러한 목적을 위해 더 많은 출력을 제공하는 것은 기어 박스와 함께입니다. 이것은 최적의 모드에서 작동을 보장하기 위해 내연 기관의 특성을 고려한이 장치의 임무입니다. 100km / h의 속도로 XNUMX 단 기어로 운전하는 것은 매우 비 경제적이며 여섯 번째로 트랙에 적합하면 진행이 불가능합니다. 경제적 인 주행을 위해서는 초기 기어 변속과 최대 부하에서 엔진을 가동해야한다는 것은 우연이 아닙니다 (즉, 최대 토크 곡선보다 약간 아래로 주행). 전문가들은 중간 회전 수 범위에 있고 최대 부하에 가까운 "낮은 특정 전력 소비"라는 용어를 사용합니다. 그러면 가솔린 엔진의 스로틀 밸브가 더 넓게 열리고 펌핑 손실이 줄어들고 실린더 압력이 증가하여 화학 반응의 품질이 향상됩니다. 낮은 속도는 마찰을 줄이고 완전히 채우는 데 더 많은 시간을 허용합니다. 경주 용 자동차는 항상 고속으로 달리고 많은 수의 기어 (포뮬러 1에서는 XNUMX 개)가있어 변속시 속도를 낮추고 전력이 훨씬 적은 지역으로의 전환을 제한합니다.

사실, 클래식 기어 박스 없이도 할 수 있지만 ...

하이브리드 시스템, 특히 Toyota Prius와 같은 하이브리드 시스템의 경우입니다. 이 차에는 나열된 유형의 변속기가 없습니다. 기어 박스가 거의 없습니다! 이는 앞서 언급한 단점을 전기적 시스템으로 보완하기 때문에 가능합니다. 변속기는 내연 기관과 두 개의 전기 기계를 결합한 유성 기어인 소위 파워 스플리터로 대체됩니다. 하이브리드 시스템, 특히 Prius 생성에 관한 책에서 작동에 대한 선택적 설명을 읽지 않은 사람들을 위해 (후자는 ams.bg 사이트의 온라인 버전에서 사용할 수 있음) 메커니즘이 허용한다고 말할 것입니다. 내연 기관의 기계적 에너지의 일부는 직접, 기계적으로 및 부분적으로 전기로 변환되고(발전기인 한 기계의 도움으로) 다시 기계로(전기 모터인 다른 기계의 도움으로) 변환됩니다. . Toyota (원래 아이디어는 60 년대 미국 회사 TRW였습니다)의이 창조물의 천재성은 매우 낮은 기어가 필요하지 않고 엔진이 효율적인 모드에서 작동 할 수 있도록 높은 시동 토크를 제공하는 것입니다. 최대 부하에서 가능한 가장 높은 기어를 시뮬레이션하고 전기 시스템이 항상 완충 역할을 합니다. 가속 및 저단 변속 시뮬레이션이 필요한 경우 발전기를 제어하여 엔진 속도를 높이고 그에 따라 정교한 전자 전류 제어 시스템을 사용하여 속도를 높입니다. 고속 기어를 시뮬레이션할 때 두 대의 차량도 엔진 속도를 제한하기 위해 역할을 전환해야 합니다. 이 시점에서 시스템은 "동력 순환" 모드로 들어가고 효율성이 크게 감소합니다. 이는 이러한 유형의 하이브리드 차량이 고속에서 연료 소비를 선명하게 표시하는 이유를 설명합니다. 따라서 이 기술은 실제로 도시 교통에 편리한 절충안입니다. 전기 시스템이 클래식 기어박스의 부재를 완전히 보상할 수 없다는 것이 명백하기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해 Honda 엔지니어는 Toyota와 경쟁하기 위해 새로운 정교한 하이브리드 하이브리드 시스템에서 간단하면서도 독창적인 솔루션을 사용하고 있습니다. 그들은 고속 하이브리드 메커니즘 대신 작동하는 여섯 번째 수동 변속기를 추가하기만 하면 됩니다. 이 모든 것이 기어박스의 필요성을 보여주기에 충분히 설득력이 있을 수 있습니다. 물론 가능하다면 많은 수의 기어로 가능합니다. 사실 수동 제어를 사용하면 운전자가 많은 수를 갖는 것이 불편하고 가격이 상승합니다. 현재 포르쉐(DSG 기반)나 쉐보레 콜벳과 같은 7단 수동변속기는 매우 드물다.

모든 것은 체인과 벨트에서 시작됩니다.

따라서 다른 조건에서는 속도와 토크에 따라 필요한 전력의 특정 값이 필요합니다. 그리고이 방정식에서 효율적인 엔진 작동 및 연료 소비 감소에 대한 필요성은 현대적인 엔진 기술 외에도 변속기가 점점 더 중요한 과제가되고 있습니다.

당연히 발생하는 첫 번째 문제는 시작입니다. 첫 번째 승용차에서 가장 일반적인 형태의 기어 박스는 자전거에서 빌린 체인 드라이브 또는 직경이 다른 벨트 풀리에 작용하는 벨트 드라이브였습니다. 실제로 벨트 드라이브에는 불쾌한 놀라움이 없었습니다. 체인 파트너 못지않게 시끄러웠을 뿐만 아니라, 당시 운전자들이 "변속기 양상추"라고 불렀던 원시적인 기어 메커니즘에서 알려진 이가 부러지지도 않았습니다. 세기가 바뀌면서 클러치나 기어가 없고 토로이달 기어박스에 Nissan과 Mazda를 사용하는 소위 "프릭션 휠 드라이브"에 대한 실험이 수행되었습니다(나중에 설명함). 그러나 기어 휠의 대안에는 여러 가지 심각한 단점도 있었습니다. 벨트는 장기간의 하중과 증가하는 속도를 견딜 수 없었고, 빠르게 느슨해지고 찢어졌으며 마찰 휠의 "패드"가 너무 빨리 마모되었습니다. 어쨌든 자동차 산업이 시작된 직후 기어가 필요하게 되었고 꽤 오랜 기간 동안 이 단계에서 토크를 전달하기 위한 유일한 옵션으로 남아 있었습니다.

기계식 변속기의 탄생

Leonardo da Vinci는 자신의 메커니즘을 위한 톱니바퀴를 설계 및 제조했지만, 고품질 강철 및 금속 가공 기계를 만들기 위한 적절한 야금 기술의 가용성 덕분에 강력하고 합리적으로 정확하며 내구성이 뛰어난 톱니바퀴 생산이 1880년에만 가능해졌습니다. 비교적 높은 작업 정확도. 기어의 마찰 손실이 2%로 감소했습니다! 이것은 기어 박스의 일부로 없어서는 안될 순간이되었지만 문제는 일반 메커니즘의 통합 및 배치에 남아있었습니다. 혁신적인 솔루션의 예는 1897년의 다임러 피닉스(Daimler Phoenix)로, 오늘날의 이해에 따르면 다양한 크기의 기어가 실제로 "조립"되었으며 XNUMX단 속도 외에 후진 기어도 있는 기어박스가 있습니다. XNUMX년 후 Packard는 문자 "H" 끝에 있는 잘 알려진 기어 레버 위치를 사용한 최초의 회사가 되었습니다. 다음 수십 년 동안 기어는 더 이상 없었지만 더 쉬운 작업이라는 명목으로 메커니즘이 계속 개선되었습니다. 최초의 양산차에 유성 기어박스를 장착한 Carl Benz는 1929년 Cadillac과 La Salle에서 만든 최초의 동기화된 기어박스의 등장에서 살아남았습니다. XNUMX년 후, 싱크로나이저는 이미 Mercedes, Mathis, Maybach 및 Horch, 그리고 또 다른 Vauxhall, Ford 및 Rolls-Royce에서 사용되었습니다. 한 가지 세부 사항-모두 동기화되지 않은 첫 번째 기어가있어 운전자를 크게 짜증나게하고 특별한 기술이 필요했습니다. 최초의 완전히 동기화된 기어박스는 1933년 XNUMX월 영국의 Alvis Speed ​​Twenty에서 사용되었으며 여전히 "Gear Factory" ZF라는 이름을 가진 유명한 독일 회사에서 만들었습니다. 30년대 중반이 되어서야 싱크로나이저가 다른 브랜드에 설치되기 시작했지만 더 저렴한 자동차와 트럭의 경우 운전자는 기어 레버를 사용하여 기어를 움직이고 변속하는 데 계속 어려움을 겪었습니다. 실제로 이러한 종류의 불편함 문제에 대한 해결책은 1899년부터 1910년까지 De Dion Bouton이 지속적으로 기어 쌍을 맞물려 샤프트에 연결하는 것을 목표로 하는 다양한 변속기 구조의 도움으로 훨씬 더 일찍 모색되었습니다. 기어가 지속적으로 맞물리고 작은 커플 링을 사용하여 보조 샤프트에 연결되는 흥미로운 변속기를 개발했습니다. Panhard-Levasseur도 비슷한 개발을 했지만 개발 과정에서 영구적으로 맞물린 기어가 핀을 통해 샤프트에 단단히 연결되었습니다. 물론 디자이너는 운전자를 더 쉽게 만들고 불필요한 손상으로부터 자동차를 보호하는 방법에 대한 생각을 멈추지 않았습니다. 1914년, Cadillac 엔지니어들은 거대한 엔진의 힘을 활용하고 전기적으로 변속하고 기어비를 4,04:에서 2,5:1로 변경할 수 있는 조정 가능한 최종 드라이브를 자동차에 장착할 수 있다고 결정했습니다.

20~30대는 오랜 세월에 걸쳐 끊임없는 지식 축적의 일부인 놀라운 발명의 시대였습니다. 예를 들어, 1931년에 프랑스 회사인 Cotal은 스티어링 휠의 작은 레버로 제어되는 전자기적으로 변속되는 수동 변속기를 만들었고, 이 변속기는 바닥에 놓인 작은 유휴 레버와 결합되었습니다. 후자의 기능을 언급하는 이유는 자동차가 정확히 XNUMX개의 후진 기어만큼 많은 전진 기어를 가질 수 있기 때문입니다. 당시 Delage, Delahye, Salmson, Voisin과 같은 유명 브랜드가 Kotal의 발명품에 관심을 보였습니다. 앞서 언급한 많은 현대식 후륜 구동 기어의 기괴하고 잊혀진 "장점" 외에도 이 놀라운 기어박스는 엔진 부하로 인해 속도가 떨어질 때 기어를 변속하는 Fleschel 자동 변속 장치와 "상호 작용"할 수 있는 능력이 있으며 실제로는 프로세스를 자동화하려는 첫 번째 시도 중 하나입니다.

40 년대와 50 년대의 대부분의 자동차는 엔진이 4000rpm 이상 발전하지 않았기 때문에 60 개의 기어가 있습니다. 회전 수, 토크 및 동력 곡선이 증가함에 따라 70 개의 기어가 더 이상 회전 수 범위를 포함하지 않습니다. 그 결과 들어 올릴 때 특징적인 "놀라운"변속기와 낮은쪽으로 변속 할 때 과도한 힘을 가하는 부조화 한 움직임이 발생했습니다. 문제에 대한 논리적 인 해결책은 3 년대에 20 단 기어로의 대대적 인 전환이었고, 100 년대 최초의 15 단 기어 박스는 제조업체에게 중요한 이정표였으며, 자동차의 모델 이미지와 함께 이러한 기어 박스의 존재를 자랑스럽게 지적했습니다. 최근에 고전적인 Opel Commodore의 소유자는 차를 샀을 때 100 단 기어이고 평균 10 l / XNUMXkm라고 말했습니다. 그가 기어 박스를 XNUMX 단 기어 박스로 교체했을 때 소비량은 XNUMXl / XNUMXkm 였고 마침내 XNUMX 단 속도를 얻은 후 후자는 XNUMX 리터로 떨어졌습니다.

오늘날에는 기어가 XNUMX 개 미만인 자동차가 거의 없으며, 소형 모델의 상위 버전에서 XNUMX 개 속도가 표준이되고 있습니다. 대부분의 경우 여섯 번째 아이디어는 높은 회전 수에서 속도를 크게 낮추는 것입니다. 어떤 경우에는 너무 길지 않고 변속시 속도 감소가 감소하는 경우도 있습니다. 다단 변속기는 디젤 엔진에 특히 긍정적 인 영향을 미칩니다. 디젤 엔진은 토크가 높지만 디젤 엔진의 기본 특성으로 인해 작동 범위가 크게 감소합니다.

(따라)

텍스트 : Georgy Kolev