Test drive A história das transmissões de carros - Parte 3

Nesta última parte, encontrará vários tipos de soluções modernas nesta área.

Hoje, o mundo das transmissões é mais diversificado do que nunca, e as empresas e fornecedores automotivos estão ligados por relacionamentos e acordos complexos que levam à criação de produtos de alta tecnologia, desde pequenas transmissões CVT até transmissões automáticas de nove marchas.

Na década de 50, tudo parecia ter uma imagem cristalina: para os americanos, a transmissão automática agora é fundamental e, para os europeus, a transmissão manual continua sendo uma prioridade. No entanto, a mesma afirmação pode ser aplicada aos anos 70 - não devemos esquecer que a verdadeira "motorização" da Europa (Ocidental) começou precisamente nessa altura, porque os anos 80 ainda são anos para reconstruir das ruínas da guerra. A história mostra que o quadro não era muito diferente nos anos 2000, embora em alguns lugares da Europa os automáticos começassem a aparecer em carros mais luxuosos. Não foi até a década de 90 que o advento do governo eletrônico começou a mudar a maré em favor das transmissões automáticas e do Velho Continente. Mas mesmo em 80, quando a participação da automação em carros novos atingiu 15% nos Estados Unidos e 4% no Japão, apenas 5% dos europeus escolheram essa solução. Claro, não se pode subestimar o componente psicológico neste caso e o desejo muito proposital deste último de mudar de marcha por conta própria. Na época, eles ainda eram predominantemente 2002 e 6ª marcha - não foi até 8 que a ZF introduziu a primeira geração de sua transmissão de seis marchas 8HP para levá-los até XNUMXHP, sete anos depois no ZF XNUMXHP. Este último se torna uma verdadeira revolução, não apenas pelo número de marchas, mas também pelo conforto operacional perfeito, que graças aos engenheiros da BMW e sua integração precisa na sétima série foi levado à perfeição.

Este é realmente um período de mudanças incríveis porque na época a ZF continuou a fornecer 4HP para o Peugeot 407 e 5HP para VW e Skoda. De fato, ao longo de 13 anos, a participação das transmissões automáticas em todo o mundo disparou, atingindo 46% em 2014. Apesar do aumento do número de marchas, o tamanho e o peso são reduzidos, e já tem de tudo aqui. Mesmo carros pequenos como o Honda Jazz também receberão caixas de câmbio de dupla embreagem. Mercedes e ZF apresentam nove unidades de degraus sucessivamente. Desenvolvimento conjunto ativo A GM e a Ford estão trabalhando arduamente em um projeto de transmissão automática de dez marchas para combater a Chrysler na América, que, entretanto, está lançando uma versão licenciada do ZF 8HP. Enquanto a evolução das transmissões manuais caminha para melhores marchas, simplificação e mudanças mais precisas, levando alguns carros a tal perfeição que seria um sacrilégio privá-los, as automáticas agora têm uma grande variedade de opções. De todos os carros com transmissão automática vendidos em 2014, 49 por cento são transmissões automáticas clássicas com 6 ou mais marchas e apenas 15 por cento têm menos de 6 marchas. CVTs representam 20 por cento, transmissões de dupla embreagem 9 por cento e transmissões manuais automatizadas apenas 3 por cento, assim como as transmissões de veículos híbridos e elétricos. Esses números escondem algumas especificidades estritas: a principal participação das transmissões DSG, por exemplo, está no mercado na Europa, as clássicas na Europa e nos EUA, e uma alta participação das transmissões CVT está no Japão. Ao mesmo tempo, as novas unidades não são de forma alguma mais pesadas ou maiores que suas antecessoras – se a transmissão automática de 5 marchas Mercedes 2004 requer quatro engrenagens planetárias e sete dispositivos de travamento, graças à sua arquitetura inteligente, o novo 9G-Tronic é isso. também gerencia quatro engrenagens planetárias, mas com seis embreagens como elementos de travamento. Uma coisa é certa - muito em breve até as marcas de gama média seguirão os fabricantes de bens de luxo e passarão agora para transmissões com mais mudanças - um bom exemplo disso é o facto de a Opel estar na fase final de desenvolvimento de uma caixa automática de oito velocidades . A ideia de um carro com transmissão automática que faz o motor acelerar desconfortavelmente e cria uma estranha sensação sintética está agora completamente nos anais da história.

Alianças e acordos

Однако Mercedes – скорее один из исключений как производитель автомобилей, который разрабатывает и производит собственные трансмиссии. На него похожи Mazda, PSA и Hyundai/ Kia, но на практике большинство производителей автомобилей в значительной степени связаны сложными отношениями и совместными предприятиями как друг с другом, так и с такими поставщиками коробок передач, как ZF и Aisin. С 8-ступенчатым автоматом ZF в разных вариантах, например, модели оснащены Audi, BMW и Rolls-Royce. По лицензионному соглашению Chrysler производит такую же трансмиссию для моделей Уклонение, Крайслер, и Jeep, но и для Maserati и Fiat. GM производит восьмиступенчатую Hydra-Matic для самого Corvette, но совместно с Aisin разработала восьмиступенчатую коробку передач для Cadillac, а десять лет назад поставила автоматические коробки передач для BMW. В то же время американский гигант работает с Ford над созданием десятиступенчатой коробки передач, а его европейское подразделение Opel разрабатывает собственную восьмиступенчатую коробку передач. Hyundai / Kia также разработали собственную восьмиступенчатую коробку передач. Компания Getrag, которая тем временем приобрела обширный опыт в производстве коробок передач с двойным сцеплением, предлагает свои агрегаты как для компактных моделей Ford, так и для Renault, а также для M-версий BMW, и два сцепления для них в большинстве случаев поставляет LUK. Знаменитая трансмиссия DSG от VW и Audi была сконструирована с помощью BorgWarner, а трансмиссия для Veyron была разработана Рикардо. Коробка передач с двумя сцеплениями и семью включенными передачами. Porsche PDK – это работа… ZF, BorgWarner и Aichi Machine Industry, которые совместно разрабатывают и производят трансмиссию для Nissan GT-R.

Competição de automação clássica

Na parte anterior, falamos em detalhes sobre a criação e o desenvolvimento de transmissões automáticas clássicas. Acrescentamos que nas versões anteriores, o sistema hidráulico pressurizado que aciona os elementos de travamento (ver abaixo) é controlado mecanicamente com base no vácuo nos manifolds e por meio de um regulador centrífugo. Mais tarde, tudo é baseado em eletrônica e parâmetros relacionados ao controle do motor. É importante notar que os novos óleos sintéticos também contribuem significativamente para o desempenho preciso das transmissões modernas. No entanto, o rápido desenvolvimento das transmissões automáticas clássicas nos últimos anos ajudou-as a se tornarem hoje insuperáveis em termos de conforto na troca de marchas com excepcional suavidade e alta velocidade, e até agora são líderes em número de marchas (já 9). O rápido desligamento do conversor de torque torna-os mais eficientes e sem interrupção da tração, o que os aproxima do DSG, os tempos de turno estão cada vez mais curtos e com o auxílio dos acumuladores de pressão o sistema start-stop não é integrado. questão. É interessante notar que, embora os ônibus usem principalmente transmissões automáticas clássicas, a prioridade para caminhões grandes é uma transmissão manual com troca de marchas pneumática automática.

Transmissões automáticas

Há apenas uma década, seu futuro parecia promissor… Depois que eles entraram no automobilismo nos anos 80 e mudaram para caixas de câmbio sequenciais de alta velocidade, agora são cada vez menos comuns em carros de produção, dando lugar a caixas de câmbio de duas velocidades. embreagem. As opções de transmissão mecânica com mudanças pneumáticas e hidráulicas continuam sendo a prioridade para caminhões e as sequenciais para carros de corrida. Este último é um fato bastante paradoxal e é defendido pela FIA pelo desejo de cortar custos. Chegou ao ponto em que em breve todos os carros de Fórmula 1 provavelmente receberão caixas de câmbio do mesmo fornecedor. Além disso, eles são limitados em materiais, no número de marchas e na largura das marchas - uma decisão bastante estranha no contexto da introdução de novos motores turbo.

Na verdade, tudo começou como uma revolução na extrema incubadora da Fórmula 1, e seu gerador conceitual foi o designer-chefe da Ferrari em meados dos anos 80, John Barnard. Sua ideia profunda na prática não é encontrar uma nova maneira de trocar, mas eliminar os complexos e pesados mecanismos da cabine do carro. Como naquela época já existia uma base tecnológica na forma de dispositivos eletro-hidráulicos (como elemento da suspensão ativa dos carros), ele decidiu que tal ativador poderia ser utilizado para esse fim. Não se trata nem de remover o pedal da embreagem primeiro. Os primeiros protótipos incluíam dispositivos para mudar cada marcha, e essa solução permitia mover as alavancas do volante. Só então surgiu a ideia de soltar o pedal da embreagem e simultaneamente abri-lo com o auxílio do cérebro eletrônico de controle. Essa arquitetura e melhorias no microprocessador, bem como a introdução de aceleradores controlados eletronicamente, permitem mudanças totalmente automáticas. Será este o último prego no caixão de uma transmissão automática clássica - nos anos noventa, essas vozes começaram a ser ouvidas cada vez mais. Além disso, as transmissões automáticas estão melhorando rapidamente, caminhando para uma arquitetura completamente nova com um design ordenado (sequencial), no qual as alavancas dos sistemas de câmbio são colocadas em canais ou seguem os contornos de um tambor rotativo.

Clássico automático agora com controle manual

Mas, ao mesmo tempo em que as transmissões semiautomáticas baseadas em transmissões manuais davam seus primeiros passos no grande esporte, a Porsche resolveu o problema oposto ao criar uma transmissão automática clássica com a capacidade de mudar usando alavancas no volante. Obviamente, a transmissão pertence à ZF, que junto com a Bosch desempenha um papel de liderança no projeto (a Porsche cria a ideia principal e lidera o projeto, a ZF desenvolve o equipamento e a Bosch é a gestão). A implementação do projeto é demonstrada na forma de equipamentos adicionais para o 911 e 968, e posteriormente Audi e Mitsubishi compram licenças para o projeto. O nome desta transmissão tiptronic vem da palavra alemã tippen (empurrar) por causa da capacidade de mudar empurrando e puxando uma alavanca. Esse tipo de câmbio já tem a função de mudar seu modo de acordo com o estilo de direção do motorista.

Enquanto isso, a criação de John Barnard tem seu lugar de direito em carros - claro, para quem tem espírito esportivo, ou pelo menos com pretensões a isso - como a Ferrari F360 Modena e o bem mais modesto Alfa 147 Selespeed com câmbio sequencial (baseado em em uma transmissão padrão de cinco marchas com um câmbio adicional e o cérebro da Magnetti-Marelli Mas, como mencionamos, o nascimento da transmissão de dupla embreagem parecia queimar as ambições das transmissões automáticas no mundo dos carros grandes, e o último voltou-se para modelos mais modestos e a possibilidade de automatização mais barata das transmissões existentes (como o Opel Easytronic recebeu entretanto a sua nova terceira edição). Isso é implementado por meios mais simples do que a arquitetura serial - para isso é usada uma unidade de controle adicional, que já é bastante compacta. No entanto, a solução para o sonho de longa data dos projetistas de mudança automática sincronizada e desengate permanece apenas uma utopia - na prática isso nunca acontece, e todas as transmissões desse tipo sofrem com a falta de mudança harmoniosa de uma marcha para outra. . Os fabricantes de carros esportivos se concentraram em transmissões de dupla embreagem (DCT ou DSG). Um exemplo típico nessa direção é a colaboração entre a BMW e a Getrag, que se materializou como uma caixa de câmbio SMG sequencial para a geração anterior M5 e convertida em uma caixa de câmbio DCT de sete marchas para a atual.

Com duas embreagens sem interrupção da tração

Tudo começou em 2003, quando a VW introduziu a Direct Shift Transmission (ou Direct Schalt Getriebe em alemão) desenvolvida em parceria com a BorgWarner. Assim que foi introduzido, demonstrou a capacidade de mudar mais rápido e sem os solavancos das transmissões manuais e automáticas, sem perda de tração e sem deterioração do consumo por falta de conversor. No entanto, voltando à história, a Audi usou uma caixa de câmbio semelhante em seus carros de rally em meados dos anos 80 (como o Sport Quattro S1 Pikes Peak), mas a tecnologia terá que esperar um pouco antes que sistemas eletrônicos rápidos o suficiente estejam disponíveis. controle para produção em série, materiais de acoplamento adequados e atuadores hidráulicos rápidos. Ao contrário de uma transmissão convencional, a DSG possui dois eixos coaxiais, cada um com sua própria embreagem. Esses conectores são dispostos concentricamente um em relação ao outro, com o externo conectando-se ao interno dos dois eixos e o interno à seção externa oca. Um dos eixos aceita engrenagens ímpares e o outro - engrenagens pares. Quando, por exemplo, a primeira marcha é engatada, a segunda já está preparada, e o engate ocorre desengatando simultaneamente uma e engatando a outra sem interromper a tração. As engrenagens são acionadas por sincronizadores clássicos, mas em vez de hastes e garfos mecânicos, isso é feito com elementos hidráulicos. As embreagens multidisco diferem em design das transmissões mecânicas e, nesse aspecto, estão próximas dos mecanismos que servem como elementos de travamento em sistemas automáticos - seu desenvolvimento contribuiu para a evolução do DSG. No entanto, os dois tipos não são apenas semelhantes em termos de embreagens hidráulicas de abertura e fechamento, mas também em termos de controle eletrônico baseado em múltiplos sensores. Nas versões anteriores, a transmissão tinha embreagens em banho de óleo para melhor transferência de calor, mas com os avanços nos materiais, embreagens secas mais eficientes estão sendo usadas. As transmissões DSG agora são uma prioridade principalmente para modelos esportivos, mas também são frequentemente usadas como alternativa para modelos compactos e pequenos, como Ford Focus e Renault Megane (equipado com Getrag), VW Golf, Audi A3, Skoda Octavia (VW-BorgWarner). automático e automatizado. Portanto, hoje, com a ajuda da eletrônica, todos os tipos de transmissões automáticas têm a capacidade de alternar mecanicamente diferentes modos de operação das máquinas automáticas.

E o que aconteceu com o variador nesse meio tempo?

A ideia de uma transmissão continuamente variável é tão antiga quanto o mundo, e os projetos incluem muitas variações. O problema deles geralmente é que não há engrenagens e a transferência de torque para as superfícies deslizantes leva ao encaixotamento. No início do século 20, o suíço Weber tinha essa transmissão, mas somente em 1955 os irmãos Dorn conseguiram criar uma solução prática desse tipo - esta última apareceu na forma de Variomatic no carro DAF holandês. O principal problema com uma mudança contínua simples e promissora em uma ampla gama de projetos com atuadores hidráulicos deslocados axialmente e elementos cônicos conectados por uma correia chanfrada é o desgaste. Por isso, em projetos posteriores, foi substituído por um elemento metálico segmentado de aço de alta fricção, no qual o movimento não é de puxar, mas sim de empurrar, o que proporciona um torque maior. No final dos anos 80, muitas empresas como Ford, Fiat, Subaru e ZF começaram a co-produção com Van Doorne e, para transmitir mais torque do que em 2000, a Audi criou uma transmissão CVT usando uma corrente. Em 2003, a Nissan, que certamente respeita essas transmissões, em grande parte graças ao fabricante local Jatco, equipou o Murano com uma transmissão CVT, e a atual versão com transmissão automática do Subaru Legacy usa uma da LUK.

No final do século 19, foram criadas as primeiras transmissões CVT, que usavam engate direto com discos de diferentes diâmetros e, na década de 20, a Citroen e a GM produziram as primeiras versões de produção. O interesse por esta solução tecnológica voltou no final dos anos 80, novamente com o desenvolvimento de materiais, e teve como depositários a empresa britânica Torotrak e a já referida Jatco - esta última como líder em transmissões CVT. Recentemente, surgiram cada vez mais novas soluções desse tipo, como a transmissão Double Rollet CVT Ultimate, que ainda não mostraram sua viabilidade.

Em uma transmissão CVT padrão, uma pequena engrenagem planetária é geralmente colocada na frente da engrenagem principal para fornecer marchas para frente, ré e neutro. As várias soluções de partida usam conectores magnéticos ou um conversor padrão (Subaru ou ZF Ecotronic CVT). As caixas de câmbio CVT, que foram negligenciadas por um longo tempo nos últimos anos, estão novamente atraindo um interesse crescente, especialmente dos fabricantes japoneses. Eles ainda têm uma grande participação na produção total de transmissões automáticas. As tecnologias de transmissão da Bosch estão se tornando cada vez mais ativas nesta área. Tal como acontece com outros, novos materiais e eletrônicos vêm em seu socorro.

Projeto básico de uma transmissão automática clássica

Em sua nova transmissão 9G-Tronic, a Mercedes usa o chamado conversor de torque hidrodinâmico, que é um dispositivo extremamente complexo, mas o princípio de operação não é diferente do primeiro desses dispositivos (veja a foto). Na prática, ele é composto por uma bomba ligada ao volante do motor, uma turbina ligada às engrenagens e um elemento intermediário denominado estator. A dinâmica dos fluidos neste dispositivo é extremamente complexa, mas simplesmente o óleo colocado nele é bombeado em torno de sua periferia em um movimento circular, semelhante ao topo da Figura 8, mas em uma versão 50D em que as linhas de interseção são deslocadas. em relação ao outro. A forma específica das pás da turbina, como sinal do braço, é de fato uma curvatura calculada com extrema precisão que absorve de maneira ideal a força do fluxo, que, por sua vez, muda abruptamente de direção. Como resultado, o torque aumenta. Infelizmente, assim que a direção muda, o fluxo já tem um efeito negativo, porque é direcionado contra as pás da bomba. Aqui vem em socorro o estator, cuja função é mudar o sentido do fluxo, e é esse elemento que transforma o aparelho em um conversor de torque. Ele é projetado de forma que possui um mecanismo de travamento que o mantém estacionário sob esta pressão. Como consequência de tudo o que foi dito acima, na partida, o maior aumento de torque. Embora o fluxo seja invertido a uma certa velocidade, à medida que sua velocidade circunferencial da turbina aumenta gradualmente na direção oposta, sua velocidade líquida torna-se a mesma que na direção da turbina. Para entender isso, imagine que você está dirigindo um bonde a 30 km/h e está quicando uma bola de volta a 20 km/h. Nesse caso, o fluxo de óleo passa por trás das pás do estator, seu bloqueio é desabilitado e ele começa a girar livremente, e quando 90% da velocidade da bomba é atingida, o fluxo do vórtice torna-se radial e o aumento do torque é interrompido. Assim, o carro dá partida e acelera, mas isso está sempre associado a perdas, mesmo em unidades modernas. Nas transmissões modernas, logo após a partida, o conversor é desligado, ou melhor, sua ação é bloqueada com o auxílio dos chamados. embreagem lock-up, o que aumenta a eficiência geral da transmissão. Nas versões híbridas, como o ZF 8HP, ele é substituído por um motor elétrico que aumenta o torque, e em algumas soluções, como o AMG 7G-DCT, o conversor é substituído por um jogo de embreagens de disco. E ainda - para otimizar a dinâmica do fluxo de óleo, em alguns casos, as pás do estator têm um ângulo de ataque variável, que, dependendo da situação, altera o torque.

Conjunto de engrenagens planetárias

Conforme mencionado na seção anterior, a engrenagem planetária foi escolhida como a engrenagem mais adequada devido à sua capacidade de lidar com várias engrenagens sem engrenagens ou sincronizadores. O mecanismo é uma coroa (coroa) com dentes internos, uma engrenagem solar e rodas planetárias a friccionando e acopladas ao anel da coroa, que são conectados a uma guia comum. Quando um dos elementos (coroa, guia ou roda sol) é bloqueado, o torque é transferido entre os outros dois, e a relação de transmissão depende do projeto. Os elementos de travamento podem ser embreagens ou freios de banda e são acionados por atuadores hidráulicos mecanicamente nas transmissões mais antigas e controlados eletronicamente nas mais novas. Mesmo as primeiras transmissões automáticas, como o GM Hydra-Matic ou o Chrysler Torque-Flite, não usavam engrenagens planetárias convencionais, mas designs compostos como o de Simpson. Este último leva o nome de seu criador, o engenheiro americano Howard Simpson, e inclui duas engrenagens planetárias (epiclicólicas) completamente idênticas, nas quais uma das partes da segunda está conectada à primeira (por exemplo, um guia com uma roda solar). Nesse caso, os elementos de fixação são duas embreagens multiplacas, duas correias de freio e uma embreagem unidirecional que fornece transmissão direta de torque. Um terceiro mecanismo, fornecendo o chamado overdrive, pode ser adicionado separadamente à caixa de câmbio. Vários designs mais modernos usam uma engrenagem planetária mais complexa do que a convencional, como a Ravigneaux (em homenagem a seu criador, Paul Ravigneau), que é combinada com uma e duas engrenagens padrão para aumentar o número de engrenagens para cinco. Inclui uma coroa comum e uma combinação de dois tipos diferentes de satélites e rodas solares, entre os quais ocorrem fluxos de energia ainda mais complexos. A primeira transmissão automática de 6 marchas da ZF, lançada em 2002, utiliza o mecanismo Lepelletier (desenhista Paul Lepelletier), que resultou em menos componentes, menos peso e volume. A inteligência das soluções modernas reside principalmente na capacidade, graças à análise computacional, de integrar mecanismos de travamento, eixos e engrenagens mais compactos, permitindo que mais elementos interajam e, portanto, consigam mais engrenagens.

Na vanguarda das 9 marchas: Mercedes 9G-Tronic.

A nova transmissão Mercedes 9G-Tronic tem uma relação de transmissão (relação de transmissão do primeiro ao nono) de 9,15. Assim, equipado com esta transmissão, o E 350 Bluetec pode viajar em nona marcha a 120 km / h a apenas 1350 rpm. A capacidade de se mover em velocidades mais baixas também é suportada por um amortecedor de torção duplo que substitui o volante, combinado com um dispositivo de pêndulo centrífugo. Embora possa suportar até 1000 Nm de torque, este trem de força, baseado em um grande número de simulações de computador, é mais leve e compacto do que antes. O alojamento de duas peças é feito de alumínio no conversor de torque hidrodinâmico e ligas de magnésio, caso contrário, com um cárter de polímero. Inúmeras análises foram realizadas antes que a possibilidade de realizar nove engrenagens com apenas quatro planetárias fosse alcançada. Esta transmissão será amplamente utilizada em outros modelos de montagem transversal, e o DSG será utilizado em modelos compactos.

Recuo fantástico ZF: 9HP

As raízes do 9HP podem ser rastreadas até 2006, quando a ZF decidiu retornar ao segmento transversal (produtos anteriores eram transmissões de quatro velocidades e CVT, que foram descontinuadas no final dos anos 90). Geralmente leva cerca de 4 anos para desenvolver, mas a empresa não quer que eles voltem com uma automática de 6 marchas porque já existem. O fato de a empresa levar 7 anos para concluir a meta demonstra o enorme trabalho de design que envolveu a criação desta transmissão. A solução é uma solução de alta tecnologia que, mesmo na versão 480 Nm, pesa apenas 86 kg. Graças à nova caixa de câmbio, o consumo de combustível é reduzido em cerca de 10 por cento em comparação com uma caixa de 6 marchas, e a uma velocidade constante de 120 km / h a redução é de 16 por cento. A arquitetura inteligente inclui a colocação de quatro engrenagens planetárias aninhadas uma na outra e a adição de conectores de pino adicionais que têm menos atrito residual quando abertos. Um sistema de amortecimento de vários estágios foi adicionado ao conversor de torque.

Texto: Georgy Kolev