Jazda próbna Historia przekładni samochodowych – część 1

W serii artykułów opowiemy o historii skrzyń biegów do samochodów osobowych i ciężarowych – być może jako ukłon w stronę 75-lecia powstania pierwszej automatycznej skrzyni biegów.

1993 Podczas testów przed wyścigiem na torze Silverstone, kierowca testowy Williamsa, David Coulthard, zjechał z toru na kolejny test w nowym Williamsie FW 15C. Na mokrej nawierzchni samochód rozbryzguje się wszędzie, ale i tak wszyscy słyszą dziwny, monotonny dźwięk dziesięciocylindrowego silnika przy wysokich obrotach. Oczywiście Frank William używa innego rodzaju transmisji. Dla oświeconych jasne jest, że jest to nic innego jak bezstopniowa przekładnia zaprojektowana na potrzeby silnika Formuły 1. Później okazało się, że została opracowana przy pomocy wszechobecnych specjalistów Van Doorn. przenoszenie infekcji. Dwie konspirujące firmy zainwestowały w ten projekt ogromne środki inżynieryjne i finansowe w ciągu ostatnich czterech lat, aby stworzyć w pełni funkcjonalny prototyp, który mógłby przepisać zasady dynamiki królowej sportu. W dzisiejszym filmiku na YouTube można zobaczyć testy tego modelu, a sam Coulthard twierdzi, że podoba mu się jej praca - szczególnie w zakręcie, gdzie nie ma co tracić czasu na redukcję - wszystkim zajmuje się elektronika. Niestety wszyscy, którzy pracowali nad projektem, stracili owoce swojej pracy. Ustawodawcy szybko zakazali używania takich przepustek w Formule, rzekomo z powodu „nieuczciwej przewagi”. Zasady zostały zmienione, a przekładnie CVT lub CVT z paskiem klinowym przeszły do ​​​​historii z tylko tym krótkim pojawieniem się. Sprawa jest zamknięta i Williams powinien wrócić do półautomatycznych skrzyń biegów, które nadal są standardem w Formule 1 i które z kolei stały się rewolucją pod koniec lat 80. Nawiasem mówiąc, już w 1965 roku DAF ze skrzynią Variomatic podejmował próby wejścia na tor sportów motorowych, ale wówczas mechanizm był tak masywny, że nawet bez interwencji czynników subiektywnych był skazany na niepowodzenie. Ale to już inna historia.

Wielokrotnie przytaczaliśmy przykłady tego, jak wiele innowacji we współczesnej motoryzacji jest wynikiem starych pomysłów zrodzonych w głowach niezwykle uzdolnionych i wymagających ludzi. Ze względu na swoją mechaniczną naturę skrzynie biegów są jednym z najjaśniejszych przykładów tego, jak można je wdrożyć we właściwym czasie. W dzisiejszych czasach połączenie zaawansowanych materiałów i procesów produkcyjnych oraz e-administracji stworzyło szansę na niezwykle efektywne rozwiązania we wszystkich formach transmisji. Trend w kierunku mniejszego zużycia z jednej strony oraz specyfika nowych silników o zmniejszonych gabarytach (np. konieczność szybkiego pokonania turbodziura) prowadzi do konieczności tworzenia automatycznych skrzyń biegów o szerszym zakresie przełożeń i odpowiednio duża liczba biegów. Ich tańszymi alternatywami są przekładnie CVT do małych samochodów, często używane przez japońskich producentów samochodów, oraz automatyczne manualne skrzynie biegów, takie jak Easytronic. Opel (również do małych samochodów). Mechanizmy równoległych układów hybrydowych są specyficzne, a w ramach wysiłków na rzecz redukcji emisji elektryfikacja napędu faktycznie zachodzi w skrzyniach biegów.

Silnik nie może obejść się bez skrzyni biegów

Do tej pory ludzkość nie wynalazła bardziej wydajnego sposobu bezpośredniego przenoszenia energii mechanicznej (z wyjątkiem, oczywiście, mechanizmów hydraulicznych i hybrydowych układów elektrycznych) niż metody wykorzystujące paski, łańcuchy i przekładnie. Oczywiście istnieje niezliczona liczba odmian tego tematu i można lepiej zrozumieć ich istotę, wymieniając najbardziej wybitne osiągnięcia w tej dziedzinie w ostatnich latach.

Koncepcja elektronicznej zmiany przełożeń, czyli elektronicznego pośredniego połączenia mechanizmu sterującego ze skrzynią biegów, jest daleka od ideału, ponieważ w 1916 roku firma Pullman z Pensylwanii stworzyła skrzynię biegów, która zmienia biegi elektrycznie. Korzystając z tej samej zasady działania w ulepszonej formie, dwadzieścia lat później zainstalowano go w awangardowym Cordzie 812 – jednym z najbardziej futurystycznych i wspaniałych samochodów nie tylko w 1936 roku, kiedy powstał. To o tyle znamienne, że sznurek ten znalazł się na okładce książki o dokonaniach wzornictwa przemysłowego. Jego skrzynia biegów przenosi moment obrotowy z silnika na przednią oś (!), a zmiana biegów jest filigranowa jak na ówczesne odwzorowanie kolumny kierownicy, która uruchamia specjalne przełączniki elektryczne uruchamiające skomplikowany system urządzeń elektromagnetycznych z membranami podciśnieniowymi, w tym biegów. Projektantom przewodów udało się to wszystko z powodzeniem połączyć i sprawdza się to świetnie nie tylko w teorii, ale również w praktyce. Prawdziwym koszmarem było ustawienie synchronizacji zmiany biegów z pracą sprzęgła, a według ówczesnych świadectw można było wysłać mechanika do szpitala psychiatrycznego. Cord był jednak samochodem luksusowym, a jego właściciele nie mogli sobie pozwolić na swobodne podejście wielu współczesnych producentów do dokładności tego procesu – w praktyce większość zautomatyzowanych (często nazywanych robotami lub półautomatycznymi) skrzyniami biegów zmienia biegi z charakterystycznym opóźnieniem, i często podmuchy.

Nikt nie twierdzi, że synchronizacja jest dziś o wiele prostszym zadaniem przy prostszych i bardziej rozpowszechnionych manualnych skrzyniach biegów, bo pytanie „Po co w ogóle używać takiego urządzenia?” Ma charakter fundamentalny. Przyczyna tego złożonego wydarzenia, ale jednocześnie otwierającego niszę biznesową na miliardy, tkwi w samej naturze silnika spalinowego. W przeciwieństwie np. do silnika parowego, gdzie ciśnienie pary dostarczanej do cylindrów może się stosunkowo łatwo zmieniać, a jej ciśnienie może się zmieniać podczas rozruchu i normalnej pracy, czy też od silnika elektrycznego, w którym silne pole magnetyczne napędzające istnieje również przy zerowej prędkości na minutę (w rzeczywistości jest wtedy najwyższa, a ze względu na spadek sprawności silników elektrycznych wraz ze wzrostem prędkości wszyscy producenci przekładni do pojazdów elektrycznych opracowują obecnie opcje dwustopniowe) wewnętrzny Silnik spalinowy ma taką charakterystykę, że maksymalną moc osiąga przy prędkościach zbliżonych do maksymalnych, a maksymalny moment obrotowy – w stosunkowo małym zakresie prędkości, w którym zachodzą najbardziej optymalne procesy spalania. Należy również zauważyć, że w rzeczywistości silnik jest rzadko używany na krzywej maksymalnego momentu obrotowego (odpowiednio na krzywej maksymalnego rozwoju mocy). Niestety moment obrotowy przy niskich obrotach jest minimalny, a jeśli skrzynia biegów jest podłączona bezpośrednio, nawet ze sprzęgłem, które rozłącza się i pozwala na rozruch, samochód nigdy nie będzie w stanie wykonywać czynności takich jak rozruch, przyspieszanie i jazda w szerokim zakresie prędkości. Oto prosty przykład – jeśli silnik przekazuje swoje obroty 1:1, a rozmiar opon to 195/55 R 15 (na razie abstrahując od obecności głównego biegu), to teoretycznie samochód powinien poruszać się z prędkością 320 km. / h przy 3000 obrotach wału korbowego na minutę. Oczywiście samochody mają biegi bezpośrednie lub bliskie, a nawet biegi pełzające, w którym to przypadku przekładnia główna również bierze udział w równaniu i musi być brana pod uwagę. Jeśli jednak będziemy kontynuować pierwotną logikę rozumowania o jeździe z normalną prędkością 60 km / hw mieście, silnik będzie potrzebował tylko 560 obr / min. Oczywiście nie ma silnika zdolnego do wykonania takiego sznurka. Jest jeszcze jeden szczegół - ponieważ czysto fizycznie moc jest wprost proporcjonalna do momentu obrotowego i prędkości (jej wzór można również zdefiniować jako prędkość x moment obrotowy / pewien współczynnik), a przyspieszenie ciała fizycznego zależy od przyłożonej do niego siły . zrozum, w tym przypadku moc, logiczne jest, że do szybszego przyspieszenia będziesz potrzebować wyższych prędkości i większego obciążenia (tj. moment obrotowy). Brzmi to skomplikowanie, ale w praktyce oznacza to, że: każdy kierowca, nawet ten, który nic nie rozumie w technologii, wie, że aby szybko wyprzedzić samochód, trzeba wrzucić o jeden, a nawet dwa biegi niżej. W ten sposób to właśnie skrzynia biegów zapewnia natychmiastowe wyższe obroty, a tym samym większą moc do tego celu przy tym samym stopniu nacisku na pedał. Takie jest zadanie tego urządzenia - biorąc pod uwagę charakterystykę silnika spalinowego, zapewnić jego pracę w optymalnym trybie. Jazda na pierwszym biegu z prędkością 100 km / h będzie dość nieekonomiczna, a na szóstym, odpowiednim na tor, nie da się ruszyć. To nie przypadek, że ekonomiczna jazda wymaga wczesnej zmiany biegów i pracy silnika z pełnym obciążeniem (czyli jazdy nieco poniżej krzywej maksymalnego momentu obrotowego). Eksperci używają terminu „niski jednostkowy pobór mocy”, który mieści się w średnim zakresie obrotów i blisko maksymalnego obciążenia. Wówczas przepustnica silników benzynowych otwiera się szerzej i zmniejsza straty pompowania, zwiększa ciśnienie w cylindrze, a tym samym poprawia jakość reakcji chemicznych. Niższe prędkości zmniejszają tarcie i dają więcej czasu na całkowite wypełnienie. Samochody wyścigowe zawsze jeżdżą z dużymi prędkościami i mają dużą liczbę biegów (osiem w Formule 1), co pozwala na zmniejszenie prędkości podczas zmiany biegów i ogranicza przejście na obszary o znacznie mniejszej mocy.

Właściwie obejdzie się bez klasycznej skrzyni biegów, ale ...

Przypadek systemów hybrydowych, aw szczególności systemów hybrydowych, takich jak Toyota Prius. Ten samochód nie posiada skrzyni biegów żadnego z wymienionych typów. Praktycznie nie ma skrzyni biegów! Jest to możliwe, ponieważ wspomniane niedociągnięcia kompensuje instalacja elektryczna. Przekładnię zastępuje tzw. power splitter, czyli przekładnia planetarna będąca połączeniem silnika spalinowego i dwóch maszyn elektrycznych. Osobom, które nie czytały wybiórczego wyjaśnienia jego działania w książkach o układach hybrydowych, a zwłaszcza o powstaniu Priusa (te ostatnie są dostępne na internetowej wersji naszej strony ams.bg), powiemy tylko, że mechanizm pozwala część energii mechanicznej silnika spalinowego przekazywana bezpośrednio, mechanicznie i częściowo, zamieniana na energię elektryczną (za pomocą jednej maszyny jako generatora) i ponownie na energię mechaniczną (za pomocą innej maszyny jako silnika elektrycznego) . Geniusz tego dzieła Toyoty (której oryginalnym pomysłem była amerykańska firma TRW z lat 60-tych) polega na zapewnieniu wysokiego momentu rozruchowego, który eliminuje konieczność stosowania bardzo niskich biegów i pozwala silnikowi pracować w oszczędnych trybach. przy maksymalnym obciążeniu, symulując najwyższy możliwy bieg, przy czym układ elektryczny zawsze działa jako bufor. Gdy wymagana jest symulacja przyspieszenia i redukcji biegu, prędkość obrotowa silnika jest zwiększana poprzez sterowanie generatorem i odpowiednio przez jego prędkość za pomocą zaawansowanego elektronicznego systemu sterowania prądem. Podczas symulacji wysokich biegów nawet dwa samochody muszą zamienić się rolami, aby ograniczyć prędkość silnika. W tym momencie system przechodzi w tryb „cyrkulacji mocy”, a jego wydajność jest znacznie zmniejszona, co tłumaczy ostre wyświetlanie zużycia paliwa tego typu pojazdów hybrydowych przy dużych prędkościach. Tak więc technologia ta jest w praktyce kompromisem wygodnym dla ruchu miejskiego, ponieważ oczywiste jest, że układ elektryczny nie może w pełni zrekompensować braku klasycznej skrzyni biegów. Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie Hondy stosują proste, ale pomysłowe rozwiązanie w swoim nowym, wyrafinowanym hybrydowym systemie hybrydowym, aby konkurować z Toyotą - po prostu dodają szóstą manualną skrzynię biegów, która włącza się zamiast szybkiego mechanizmu hybrydowego. Wszystko to może być wystarczająco przekonujące, aby pokazać potrzebę skrzyni biegów. Oczywiście, jeśli to możliwe przy dużej liczbie biegów - faktem jest, że przy ręcznym sterowaniu posiadanie dużej liczby biegów przez kierowcę po prostu nie będzie wygodne, a cena wzrośnie. W tej chwili 7-biegowe manualne skrzynie biegów, takie jak te, które można znaleźć w Porsche (oparte na DSG) i Chevroletach Corvette, są dość rzadkie.

Wszystko zaczyna się od łańcuchów i pasków

Zatem różne warunki wymagają określonych wartości wymaganej mocy w zależności od prędkości i momentu obrotowego. I w tym równaniu potrzeba wydajnej pracy silnika i zmniejszonego zużycia paliwa, oprócz nowoczesnej technologii silnika, przekładnia staje się coraz ważniejszym wyzwaniem.

Oczywiście pierwszym problemem jest rozruch – w pierwszych samochodach osobowych najpowszechniejszą formą skrzyni biegów był zapożyczony z roweru napęd łańcuchowy lub pasowy działający na koła pasowe o różnych średnicach. W praktyce w napędzie paskowym nie było niemiłych niespodzianek. Nie dość, że był równie hałaśliwy jak jego łańcuchowi partnerzy, to jeszcze nie łamał zębów, co było znane z prymitywnych mechanizmów zębatych, które ówcześni kierowcy nazywali „sałatą transmisyjną”. Od przełomu wieków prowadzono eksperymenty z tak zwanym „napędem ciernym”, który nie ma sprzęgła ani biegów i wykorzystuje Nissana i Mazdę w ich toroidalnych skrzyniach biegów (o czym będzie mowa później). Jednak alternatywy dla kół zębatych miały też szereg poważnych wad – pasy nie wytrzymywały długotrwałych obciążeń i rosnących prędkości, szybko się luzowały i rwały, a „podkładki” kół ciernych ulegały zbyt szybkiemu zużyciu. W każdym razie wkrótce po zaraniu przemysłu motoryzacyjnego przekładnie stały się niezbędne i na tym etapie pozostały jedyną opcją przenoszenia momentu obrotowego przez dość długi okres czasu.

Narodziny przekładni mechanicznej

Leonardo da Vinci zaprojektował i wyprodukował koła zębate do swoich mechanizmów, ale produkcja mocnych, w miarę dokładnych i trwałych kół zębatych stała się możliwa dopiero w 1880 roku dzięki dostępności odpowiednich technologii metalurgicznych do wytwarzania wysokiej jakości stali i maszyn do obróbki metali. stosunkowo wysoka dokładność pracy. Straty tarcia w przekładniach zredukowane są do zaledwie 2 procent! W tym momencie stały się one niezbędne jako część gearboxa, ale problem pozostał z ich unifikacją i umieszczeniem w ogólnym mechanizmie. Przykładem nowatorskiego rozwiązania jest Daimler Phoenix z 1897 roku, w którym „zmontowano” przekładnie różnej wielkości w prawdziwą, wedle dzisiejszego pojmowania, skrzynię biegów, która oprócz czterech biegów posiada również bieg wsteczny. Dwa lata później Packard jako pierwsza firma zastosowała dobrze znane położenie dźwigni zmiany biegów na końcach litery „H”. W następnych dziesięcioleciach nie było już kół zębatych, ale w imię łatwiejszej pracy mechanizmy nadal były ulepszane. Carl Benz, który wyposażył swoje pierwsze seryjne samochody w planetarną skrzynię biegów, zdołał przetrwać pojawienie się pierwszych zsynchronizowanych skrzyń biegów opracowanych przez Cadillac i La Salle w 1929 roku. Dwa lata później synchronizatory były już używane przez Mercedesa, Mathisa, Maybacha i Horcha, a potem kolejny Vauxhall, Ford i Rolls-Royce. Jeden szczegół - wszystkie miały niezsynchronizowany pierwszy bieg, co bardzo irytowało kierowców i wymagało specjalnych umiejętności. Pierwszy w pełni zsynchronizowany gearbox był używany przez angielski Alvis Speed ​​Twenty w październiku 1933 roku i został stworzony przez słynną niemiecką firmę, która do dziś nosi nazwę „Gear Factory” ZF, do której będziemy często nawiązywać w naszej opowieści. Dopiero w połowie lat 30. zaczęto montować synchronizatory w innych markach, ale w tańszych samochodach i ciężarówkach kierowcy nadal zmagali się z dźwignią zmiany biegów, aby poruszać i zmieniać biegi. W rzeczywistości rozwiązania problemu tego rodzaju niedogodności szukano znacznie wcześniej za pomocą różnych konstrukcji przekładni, mających również na celu ciągłe zazębianie się par kół zębatych i łączenie ich z wałem - w okresie od 1899 do 1910 roku De Dion Bouton opracowali ciekawą przekładnię, w której koła zębate są stale zazębione, a ich połączenie z wałem wtórnym odbywa się za pomocą małych sprzęgieł. Panhard-Levasseur miał podobny rozwój, ale w jego rozwoju, koła zębate na stałe sprzężone były mocno połączone z wałem za pomocą sworzni. Projektanci oczywiście nie przestali myśleć o tym, jak ułatwić kierowcom i uchronić samochody przed niepotrzebnymi uszkodzeniami. W 1914 roku inżynierowie Cadillaca zdecydowali, że mogą wykorzystać moc swoich ogromnych silników i wyposażyć samochody w regulowaną zwolnicę, która mogła zmieniać biegi elektrycznie i zmieniać przełożenie z 4,04: na 2,5:1.

Lata 20. i 30. to czas niesamowitych wynalazków, które są częścią nieustannego gromadzenia wiedzy na przestrzeni lat. Na przykład w 1931 roku francuska firma Cotal stworzyła elektromagnetycznie przełączaną manualną skrzynię biegów sterowaną małą dźwignią na kierownicy, którą z kolei połączono z małą dźwignią biegu jałowego umieszczoną w podłodze. Wspominamy o tej ostatniej funkcji, ponieważ pozwala ona na posiadanie przez samochód dokładnie tyle biegów do przodu, ile jest czterech biegów wstecznych. W tym czasie wynalazkiem Kotala zainteresowały się prestiżowe marki, takie jak Delage, Delahaye, Salmson czy Voisin. Oprócz wyżej wspomnianej dziwacznej i zapomnianej „zalety” wielu nowoczesnych przekładni z napędem na tylne koła, ta niesamowita skrzynia biegów ma również zdolność „współdziałania” z automatyczną dźwignią zmiany biegów Fleschel, która zmienia biegi, gdy prędkość spada z powodu obciążenia silnika i jest w rzeczywistości jedna z pierwszych prób automatyzacji procesu.

Większość samochodów z lat 40. i 50. miała trzy biegi, ponieważ silniki nie rozwijały więcej niż 4000 obr / min. Wraz ze wzrostem obrotów, krzywych momentu obrotowego i mocy, trzy biegi przestały pokrywać zakres obrotów. Rezultatem był dysharmonijny ruch z charakterystycznym „oszałamiającym” przeniesieniem podczas podnoszenia i nadmiernym siłą podczas przełączania na niższy. Logicznym rozwiązaniem problemu było masowe przejście na czterobiegową skrzynię biegów w latach 60., a pierwsze pięciobiegowe skrzynie w latach 70. były znaczącym kamieniem milowym dla producentów, którzy z dumą zauważyli obecność takiej skrzyni wraz z wizerunkiem modelu na samochodzie. Niedawno właściciel klasycznego Opla Commodore powiedział mi, że kupując samochód miał 3 biegi i średnio 20 l / 100 km. Kiedy wymienił skrzynię na czterobiegową, spalanie wynosiło 15 l / 100 km, a po tym, jak w końcu dostał pięciobiegową, ta spadła do 10 litrów.

Obecnie praktycznie nie ma samochodów z mniej niż pięcioma biegami, a sześć biegów staje się normą w wyższych wersjach kompaktowych modeli. Szóstym pomysłem w większości przypadków jest mocne zmniejszenie prędkości na wysokich obrotach, aw niektórych przypadkach, gdy nie trwa to tak długo, a redukcja prędkości spada podczas zmiany biegów. Przekładnie wielostopniowe mają szczególnie pozytywny wpływ na silniki wysokoprężne, których jednostki mają wysoki moment obrotowy, ale znacznie zmniejszony zakres pracy ze względu na fundamentalny charakter silnika wysokoprężnego.

(podążać)

Tekst: Georgy Kolev