Test Drive Istoria transmisiilor auto - Partea 1

Într-o serie de articole vă vom povesti despre istoria transmisiilor pentru mașini și camioane – poate ca un semn de cap la prilejul împlinirii a 75 de ani de la crearea primei transmisii automate.

1993 În timpul testelor înainte de cursă la Silverstone, pilotul de testare Williams David Coulthard a părăsit pista pentru următorul test cu noul Williams FW 15C. Pe trotuarul umed, mașina stropește peste tot, dar totuși toată lumea poate auzi sunetul monoton ciudat de mare viteză al unui motor cu zece cilindri. Evident, Frank William folosește un alt tip de transmisie. Pentru cei luminați este clar că aceasta nu este altceva decât o transmisie continuu variabilă concepută pentru a satisface nevoile unui motor de Formula 1. Ulterior s-a dovedit că a fost dezvoltată cu ajutorul omniprezentilor specialiști Van Doorn. transmiterea infecției. Cele două companii conspiratoare au turnat resurse uriașe de inginerie și financiare în acest proiect în ultimii patru ani pentru a crea un prototip complet funcțional, care ar putea rescrie regulile dinamicii în regina sportului. În videoclipul de astăzi de pe YouTube puteți vedea testele acestui model, iar Coulthard însuși susține că îi place munca ei - mai ales în colț, unde nu este nevoie să pierdeți timpul cu trecerea în trepte - totul este îngrijit de electronică. Din păcate, toți cei care au lucrat la proiect au pierdut roadele muncii lor. Legiuitorii s-au grăbit să interzică folosirea unor astfel de permise în Formula, presupus din cauza „avantajului nedrept”. Regulile au fost schimbate și transmisiile CVT sau CVT cu cureaua trapezoidală au fost istorie doar cu această scurtă apariție. Cazul este închis și Williams ar trebui să revină la transmisiile semiautomate, care sunt încă standard în Formula 1 și care, la rândul lor, au devenit o revoluție la sfârșitul anilor 80. Apropo, în 1965, DAF cu transmisia Variomatic a încercat să intre pe pista de sport cu motor, dar la acea vreme mecanismul era atât de masiv încât chiar și fără intervenția unor factori subiectivi a fost sortit eșecului. Dar asta este o altă poveste.

Am citat în repetate rânduri exemple despre cât de multă inovație în industria automobilelor moderne este rezultatul ideilor vechi născute în capul oamenilor extrem de înzestrați și cu discernământ. Datorită naturii lor mecanice, cutiile de viteze sunt unul dintre primele exemple ale modului în care pot fi implementate atunci când este momentul potrivit. În zilele noastre, combinația de materiale avansate și procese de fabricație și e-guvernare a creat oportunitatea unor soluții incredibil de eficiente în toate formele de transmisie. Tendința către un consum mai mic pe de o parte și specificitatea noilor motoare cu dimensiuni reduse (de exemplu, necesitatea de a depăși rapid o gaură turbo) duc la necesitatea de a crea transmisii automate cu o gamă mai largă de rapoarte de transmisie și, în consecință, un număr mare de unelte. Alternativele lor mai accesibile sunt CVT-urile pentru mașinile mici, adesea folosite de producătorii auto japonezi și transmisiile manuale automate, cum ar fi Easytronic. Opel (și pentru mașini mici). Mecanismele sistemelor hibride paralele sunt specifice și, ca parte a eforturilor de reducere a emisiilor, electrificarea motorului are loc de fapt în transmisii.

Un motor nu poate face fără o cutie de viteze

Până în prezent, omenirea nu a inventat un mod mai eficient de transmitere directă a energiei mecanice (cu excepția, desigur, a mecanismelor hidraulice și a sistemelor electrice hibride) decât metodele care utilizează curele, lanțuri și roți dințate. Desigur, există nenumărate variații pe această temă și le puteți înțelege mai bine esența prin enumerarea celor mai remarcabile evoluții din acest domeniu din ultimii ani.

Conceptul de schimbare electronică, sau conectarea electronică indirectă a mecanismului de control la cutia de viteze, este departe de ultimul strigăt, deoarece în 1916 compania Pullman din Pennsylvania a creat o cutie de viteze care schimbă treptele electric. Folosind același principiu de funcționare într-o formă îmbunătățită, douăzeci de ani mai târziu a fost instalat în avangarda Cord 812 - una dintre cele mai futuriste și minunate mașini nu numai în 1936, când a fost creată. Este suficient de semnificativ faptul că acest cordon poate fi găsit pe coperta unei cărți despre realizările designului industrial. Transmisia sa transmite cuplul de la motor către puntea din față (!), iar schimbarea vitezelor este filigrană directă pentru reprezentarea de atunci a coloanei de direcție, care activează întrerupătoare electrice speciale care activează un sistem complex de dispozitive electromagnetice cu diafragme de vid, inclusiv angrenaje. Designerii de cabluri au reușit să combine toate acestea cu succes și funcționează excelent nu numai în teorie, ci și în practică. A fost un adevărat coșmar să se stabilească sincronizarea între schimbarea vitezei și funcționarea ambreiajului și, conform dovezilor vremii, a fost posibil să trimiți un mecanic la un spital de psihiatrie. Cu toate acestea, Cord era o mașină de lux, iar proprietarii săi nu își puteau permite atitudinea obișnuită a multor producători moderni față de acuratețea acestui proces - în practică, majoritatea transmisiilor automate (numite adesea robotizate sau semi-automate) se schimbă cu o întârziere caracteristică, și adesea rafale.

Nimeni nu susține că sincronizarea este o sarcină mult mai ușoară cu transmisiile manuale mai simple și mai răspândite astăzi, deoarece întrebarea „De ce este necesar să folosiți un astfel de dispozitiv?” Are un caracter fundamental. Motivul acestui eveniment complex, dar și deschiderea unei nișe de afaceri pentru miliarde, constă în natura motorului cu combustie. Spre deosebire, de exemplu, de un motor cu abur, unde presiunea aburului furnizat cilindrilor se poate modifica relativ ușor, iar presiunea acestuia se poate modifica în timpul pornirii și funcționării normale, sau de la un motor electric, în care un câmp magnetic de antrenare puternic există și la viteză zero.pe minut (de fapt, atunci este cea mai mare, iar din cauza scăderii eficienței motoarelor electrice odată cu creșterea vitezei, toți producătorii de transmisii pentru vehicule electrice dezvoltă în prezent opțiuni în două etape) o internă motorul cu ardere are o caracteristică în care puterea maximă este atinsă la viteze apropiate de maxim, iar cuplul maxim - într-un interval relativ mic de turații, în care au loc cele mai optime procese de ardere. De asemenea, trebuie remarcat faptul că în viața reală motorul este rar utilizat pe curba cuplului maxim (în mod corespunzător pe curba de dezvoltare a puterii maxime). Din păcate, cuplul la turații reduse este minim și, dacă transmisia este conectată direct, chiar și cu un ambreiaj care se decuplează și permite pornirea, mașina nu va putea niciodată să efectueze activități precum pornirea, accelerarea și conducerea la o gamă largă de viteze. Iată un exemplu simplu - dacă motorul își transmite viteza 1: 1, iar dimensiunea anvelopei este 195/55 R 15 (deocamdată, făcând abstracție de la prezența treptei principale), atunci teoretic mașina ar trebui să se miște cu o viteză de 320 km. / h la 3000 de rotații ale arborelui cotit pe minut. Desigur, mașinile au trepte de viteză directe sau apropiate și chiar trepte pe șenile, caz în care și tracțiunea finală intră în ecuație și trebuie luată în considerare. Cu toate acestea, dacă continuăm logica inițială a raționamentului despre conducerea la o viteză normală de 60 km / h în oraș, motorul va avea nevoie doar de 560 rpm. Desigur, nu există nici un motor capabil să facă o astfel de sfoară. Mai există un detaliu - deoarece, pur fizic, puterea este direct proporțională cu cuplul și viteza (formula sa poate fi definită și ca viteză x cuplu / un anumit coeficient), iar accelerația unui corp fizic depinde de forța aplicată acestuia. . , înțelegeți, în acest caz, puterea, este logic ca pentru o accelerație mai rapidă să aveți nevoie de viteze mai mari și mai multă sarcină (adică cuplu). Sună complicat, dar în practică acest lucru înseamnă următoarele: fiecare șofer, chiar și cel care nu înțelege nimic în tehnologie, știe că, pentru a depăși rapid o mașină, trebuie să schimbați una sau chiar două trepte mai jos. Astfel, cu cutia de viteze oferă instantaneu turații mai mari și, prin urmare, mai multă putere în acest scop, cu același grad de presiune a pedalei. Aceasta este sarcina acestui dispozitiv - ținând cont de caracteristicile motorului cu ardere internă, pentru a asigura funcționarea acestuia în modul optim. Conducerea cu prima viteză la o viteză de 100 km / h va fi destul de neeconomică, iar în a șasea, potrivită pentru pistă, este imposibil să începi. Nu este o coincidență faptul că conducerea economică necesită schimbări de viteză timpurii și motorul funcționează la sarcină maximă (adică conducând puțin sub curba cuplului maxim). Experții folosesc termenul „consum specific de energie redus”, care se află în intervalul de turații mediu și aproape de sarcina maximă. Apoi, supapa de accelerație a motoarelor pe benzină se deschide mai larg și reduce pierderile de pompare, crește presiunea cilindrilor și îmbunătățește astfel calitatea reacțiilor chimice. Vitezele mai mici reduc frecarea și permit mai mult timp să se umple complet. Mașinile de curse rulează întotdeauna la viteze mari și au un număr mare de trepte de viteză (opt în Formula 1), ceea ce permite o viteză redusă la deplasare și limitează tranziția către zone cu o putere semnificativ mai mică.

De fapt, se poate descurca fără o cutie de viteze clasică, dar ...

Cazul sistemelor hibride și în special al sistemelor hibride precum Toyota Prius. Această mașină nu are o transmisie de niciunul dintre tipurile enumerate. Practic nu are cutie de viteze! Acest lucru este posibil deoarece deficiențele menționate mai sus sunt compensate de sistemul electric. Transmisia este înlocuită cu un așa-numit splitter de putere, un angrenaj planetar care combină un motor cu ardere internă și două mașini electrice. Pentru persoanele care nu au citit explicația selectivă a funcționării sale în cărți despre sisteme hibride și mai ales despre crearea lui Prius (acestea din urmă sunt disponibile pe versiunea online a site-ului nostru ams.bg), vom spune doar că mecanismul permite o parte din energia mecanică a motorului cu ardere internă să fie transferată direct, mecanic și parțial, să fie transformată în electric (cu ajutorul unei mașini ca generator) și din nou în mecanic (cu ajutorul unei alte mașini ca motor electric) . Geniul acestei creații a Toyota (a cărei idee inițială a fost compania americană TRW din anii 60) este de a oferi un cuplu mare de pornire, care evită necesitatea unor trepte foarte joase și permite motorului să funcționeze în moduri eficiente. la sarcină maximă, simulând cea mai înaltă treaptă de viteză posibilă, sistemul electric acționând întotdeauna ca un tampon. Atunci când este necesară simularea accelerației și a reducerii treptei de viteză, turația motorului este mărită prin controlul generatorului și, în consecință, prin turația acestuia folosind un sistem electronic de control al curentului sofisticat. Când se simulează viteze înalte, chiar și două mașini trebuie să schimbe rolurile pentru a limita viteza motorului. În acest moment, sistemul intră în modul „circularea puterii” și eficiența acestuia este redusă semnificativ, ceea ce explică afișarea clară a consumului de combustibil al acestui tip de vehicule hibride la viteze mari. Astfel, această tehnologie este în practică un compromis convenabil pentru traficul urban, deoarece este evident că sistemul electric nu poate compensa pe deplin absența unei cutii de viteze clasice. Pentru a rezolva această problemă, inginerii Honda folosesc o soluție simplă, dar ingenioasă în noul lor sistem hibrid hibrid sofisticat pentru a concura cu Toyota - pur și simplu adaugă o a șasea transmisie manuală care se cuplează în locul mecanismului hibrid de mare viteză. Toate acestea pot fi suficient de convingătoare pentru a arăta nevoia unei cutii de viteze. Desigur, dacă este posibil cu un număr mare de viteze - adevărul este că, cu control manual, pur și simplu nu va fi confortabil pentru șofer să aibă un număr mare, iar prețul va crește. În acest moment, transmisiile manuale cu 7 trepte precum cele găsite la Porsche (pe baza DSG) și Chevrolet Corvette sunt destul de rare.

Totul începe cu lanțuri și curele

Deci, condiții diferite necesită anumite valori ale puterii necesare în funcție de viteză și cuplu. Și în această ecuație, necesitatea unei funcționări eficiente a motorului și a unui consum redus de combustibil, pe lângă tehnologia modernă a motorului, transmisia devine o provocare din ce în ce mai importantă.

Desigur, prima problemă care apare este pornirea - în primele mașini de pasageri, cea mai comună formă de cutie de viteze a fost o transmisie cu lanț, împrumutată de la o bicicletă, sau o transmisie cu curea care acționează pe scripete de curea de diferite diametre. În practică, nu au existat surprize neplăcute în transmisia prin curea. Nu numai că era la fel de zgomotos ca partenerii săi de lanț, dar nici nu putea sparge dinții, ceea ce era cunoscut din mecanismele primitive de angrenaj la care șoferii la acea vreme le numeau „salată de transmisie”. De la începutul secolului, s-au efectuat experimente cu așa-numita „tracțiune cu fricțiune”, care nu are ambreiaj sau viteze și folosește Nissan și Mazda în cutiile lor de viteze toroidale (despre care vom discuta mai târziu). Cu toate acestea, alternativele la roțile dințate aveau și o serie de dezavantaje serioase - curelele nu puteau rezista la sarcini prelungite și la viteze în creștere, s-au desprins și s-au rupt rapid, iar „tampoanele” roților de frecare au fost supuse unei uzuri prea rapide. În orice caz, la scurt timp după apariția industriei de automobile, angrenajele au devenit necesare și au rămas singura opțiune în această etapă pentru transmiterea cuplului pentru o perioadă destul de lungă de timp.

Nașterea unei transmisii mecanice

Leonardo da Vinci a proiectat și a fabricat roți dințate pentru mecanismele sale, dar producția de roți dințate puternice, rezonabil precise și durabile a devenit posibilă abia în 1880 datorită disponibilității tehnologiilor metalurgice adecvate pentru crearea oțelurilor și a mașinilor de prelucrare a metalelor de înaltă calitate. precizie relativ mare a muncii. Pierderile de frecare din unelte sunt reduse la doar 2%! Acesta a fost momentul în care au devenit indispensabili ca parte a cutiei de viteze, dar problema a rămas cu unificarea și plasarea lor în mecanismul general. Un exemplu de soluție inovatoare este Daimler Phoenix din 1897, în care angrenajele de diferite dimensiuni au fost „asamblate” într-o cutie de viteze reală, conform înțelegerii de astăzi, care, pe lângă patru viteze, are și o marșă inversă. Doi ani mai târziu, Packard a devenit prima companie care a folosit cunoscuta poziționare a pârghiei de viteze la capetele literei „H”. În deceniile următoare, angrenajele nu mai erau, dar mecanismele au continuat să fie îmbunătățite în numele unei lucrări mai ușoare. Carl Benz, care și-a echipat primele mașini de producție cu o cutie de viteze planetară, a reușit să supraviețuiască apariției primelor cutii de viteze sincronizate dezvoltate de Cadillac și La Salle în 1929. Doi ani mai târziu, sincronizatoarele erau deja utilizate de Mercedes, Mathis, Maybach și Horch, apoi un alt Vauxhall, Ford și Rolls-Royce. Un detaliu - toate aveau o treaptă întâi nesincronizată, care i-a enervat foarte mult pe șoferi și a cerut abilități speciale. Prima cutie de viteze complet sincronizată a fost utilizată de englezul Alvis Speed ​​Twenty în octombrie 1933 și a fost creată de celebra companie germană, care poartă încă numele de „Gear Factory” ZF, la care ne vom referi deseori în povestea noastră. Abia la mijlocul anilor 30 au început să fie instalate sincronizatoare pe alte mărci, dar în mașinile și camioanele mai ieftine, șoferii au continuat să se lupte cu pârghia de viteză pentru a muta și a schimba vitezele. De fapt, s-a căutat mult mai devreme o soluție la problema acestui gen de inconveniente cu ajutorul diferitelor structuri de transmisie, care aveau ca scop, de asemenea, angrenarea constantă a perechilor de angrenaje și conectarea lor la arbore - în perioada 1899-1910, De Dion Bouton a dezvoltat o transmisie interesantă în care angrenajele sunt în mod constant angrenate, iar conectarea lor la arborele secundar se realizează folosind cuplaje mici. Panhard-Levasseur a avut o dezvoltare similară, dar în dezvoltarea lor, angrenajele angajate permanent au fost conectate ferm la arbore folosind știfturi. Desigur, proiectanții nu s-au oprit din a se gândi la modul de facilitare a șoferilor și la protejarea mașinilor de daune inutile. În 1914, inginerii Cadillac au decis că pot valorifica puterea motoarelor lor uriașe și pot echipa mașinile cu o transmisie finală reglabilă, care ar putea să se schimbe electric și să schimbe raportul de transmisie de la 4,04: la 2,5: 1.

Anii 20 și 30 au fost o perioadă de invenții incredibile care fac parte din acumularea constantă de cunoștințe de-a lungul anilor. De exemplu, în 1931, compania franceză Cotal a creat o transmisie manuală cu deplasare electromagnetică, controlată de o mică pârghie de pe volan, care, la rândul său, a fost combinată cu o mică pârghie de ralanti plasată pe podea. Menționăm această din urmă caracteristică deoarece permite mașinii să aibă exact atâtea trepte înainte cât există patru trepte înapoi. La acea vreme, mărci prestigioase precum Delage, Delahaye, Salmson și Voisin erau interesate de invenția lui Kotal. Pe lângă „avantajul” bizar și uitat de mai sus al multor trepte moderne de tracțiune spate, această cutie de viteze incredibilă are și capacitatea de a „interacționa” cu un schimbător automat Fleschel care schimbă treptele pe măsură ce viteza scade din cauza sarcinii motorului și este de fapt una dintre primele încercări de automatizare a procesului.

Majoritatea mașinilor din anii 40 și 50 aveau trei trepte de viteză, deoarece motoarele nu au dezvoltat mai mult de 4000 rpm. Odată cu creșterea turațiilor, a cuplului și a curbelor de putere, cele trei trepte de viteză nu mai acopereau gama turațiilor. Rezultatul a fost o mișcare dizarmonică cu o transmisie caracteristică „uimitoare” la ridicare și forțare excesivă la trecerea la una inferioară. Soluția logică a problemei a fost trecerea masivă la trepte de viteză cu patru trepte în anii 60, iar primele cutii de viteze cu cinci trepte din anii 70 au reprezentat o etapă importantă pentru producători, care au remarcat cu mândrie prezența unei astfel de cutii de viteze împreună cu modelul de pe mașină. Recent, proprietarul unui Opel Commodore clasic mi-a spus că atunci când a cumpărat mașina, aceasta era în 3 trepte și avea în medie 20 l / 100 km. Când a schimbat cutia de viteze într-o cutie de viteze cu patru trepte, consumul a fost de 15 l / 100 km, iar după ce a obținut în cele din urmă o viteză de cinci trepte, acesta din urmă a scăzut la 10 litri.

Astăzi, practic nu există mașini cu mai puțin de cinci trepte, iar șase viteze devin normele în versiunile superioare ale modelelor compacte. A șasea idee, în majoritatea cazurilor, este o reducere puternică a vitezei la turații mari și, în unele cazuri, când nu este atât de lungă, iar reducerea vitezei scade la schimbare. Transmisiile în mai multe etape au un efect deosebit de pozitiv asupra motoarelor diesel, ale căror unități au un cuplu ridicat, dar un domeniu de funcționare redus semnificativ datorită naturii fundamentale a motorului diesel.

(a urma)

Text: Georgy Kolev