Тест драйв Историята на автомобилните трансмисии - част 1

В поредица от статии ще ви разкажем за историята на трансмисиите за автомобили и камиони – може би като реверанс към 75-ата годишнина от създаването на първата автоматична скоростна кутия.

1993 По време на тестовете преди състезанието в Силвърстоун, тест пилотът на Williams Дейвид Култард напусна пистата за следващия тест с новия Williams FW 15C. На мокра настилка колата се пръска навсякъде, но въпреки това всеки може да чуе странния монотонен високоскоростен звук на десетцилиндров двигател. Очевидно Франк Уилям използва различен вид предаване. За просветените е ясно, че това не е нищо повече от безстепенна трансмисия, предназначена да задоволи нуждите на двигател от Формула 1. По-късно се оказа, че е разработена с помощта на вездесъщите специалисти от Van Doorn. предаване на инфекция. Двете заговорнически компании са вложили огромни инженерни и финансови ресурси в този проект през последните четири години, за да създадат напълно функционален прототип, който може да пренапише правилата на динамиката в спортната кралица. Във видеото в YouTube днес можете да видите тестовете на този модел, а самият Култард твърди, че харесва работата й – особено в завоя, където няма нужда да губите време за превключване на по-ниски предавки – за всичко се грижи електрониката. За съжаление всички, които работиха по проекта, загубиха плодовете на труда си. Законодателите побързаха да забранят използването на такива пасове във Формула, уж поради "нечестно предимство". Правилата бяха променени и CVT или CVT трансмисиите с V-ремък останаха в историята само с тази кратка поява. Случаят е приключен и Уилямс трябва да се върне към полуавтоматичните трансмисии, които все още са стандарт във Формула 1 и които от своя страна се превърнаха в революция в края на 80-те. Между другото, още през 1965 г. DAF с Variomatic трансмисия прави опити да навлезе на пистата в моторните спортове, но по това време механизмът е толкова масивен, че дори и без намесата на субективни фактори е обречен на провал. Но това е друга история.

Многократно сме цитирали примери за това колко иновации в съвременната автомобилна индустрия са резултат от стари идеи, родени в главите на изключително надарени и проницателни хора. Поради механичния си характер, скоростните кутии са един от основните примери за това как могат да бъдат приложени, когато настъпи подходящият момент. В днешно време комбинацията от съвременни материали и производствени процеси и електронно управление създаде възможност за невероятно ефективни решения във всички форми на предаване. Тенденцията към по -нисък разход от една страна и спецификата на новите двигатели с намалени размери (например необходимостта от бързо преодоляване на турбо дупка) водят до необходимостта от създаване на автоматични трансмисии с по -широк диапазон от предавателни числа и съответно, голям брой предавки. Техните по -достъпни алтернативи са CVT за малки автомобили, често използвани от японските автомобилни производители, и автоматични ръчни трансмисии като Easytronic. Opel (също за малки автомобили). Механизмите на паралелните хибридни системи са специфични и като част от усилията за намаляване на емисиите, електрификацията на задвижването всъщност се случва в трансмисиите.

Двигателят не може без скоростна кутия

Към днешна дата човечеството не е изобретило по-ефективен начин за директно предаване на механична енергия (с изключение, разбира се, на хидравлични механизми и хибридни електрически системи) от методите, използващи колани, вериги и зъбни колела. Разбира се, има безброй вариации по тази тема и можете да разберете по-добре тяхната същност, като изброите най-забележителните разработки в тази област през последните години.

Концепцията за електронно превключване или електронно индиректно свързване на механизма за управление към скоростната кутия далеч не е последният вик, защото през 1916 г. компанията Pullman от Пенсилвания създава скоростна кутия, която превключва предавките електрически. Използвайки същия принцип на работа в подобрена форма, двадесет години по-късно той е монтиран в авангардния Cord 812 - един от най-футуристичните и прекрасни автомобили не само през 1936 г., когато е създаден. Достатъчно значимо е, че този шнур може да бъде намерен на корицата на книга за постиженията на индустриалния дизайн. Трансмисията му предава въртящия момент от двигателя към предния мост (!), а превключването на скоростите е директно филигранно за тогавашното представяне на кормилната колона, която задейства специални електрически ключове, които задействат сложна система от електромагнитни устройства с вакуумни диафрагми, включително скорости. Дизайнерите на кабели успяха да съчетаят всичко това успешно и работи чудесно не само на теория, но и на практика. Беше истински кошмар да се създаде синхрон между превключването на предавките и работата на съединителя, а според доказателствата от онова време беше възможно да се изпрати механик в психиатрична болница. Въпреки това Cord беше луксозен автомобил и собствениците му не можеха да си позволят непринуденото отношение на много съвременни производители към точността на този процес - на практика повечето автоматизирани (често наричани роботизирани или полуавтоматични) трансмисии превключват с характерно закъснение, и често пориви.

Никой не твърди, че синхронизацията е много по-лесна задача с по-простите и масово разпространени днес ръчни трансмисии, защото въпросът "Защо изобщо е необходимо да се използва такова устройство?" Има фундаментален характер. Причината за това сложно събитие, но и отваряне на бизнес ниша за милиарди, се крие в самата природа на двигателя с вътрешно горене. За разлика например от парна машина, където налягането на парата, подадена към цилиндрите, може да се промени сравнително лесно и нейното налягане може да се промени по време на стартиране и нормална работа, или от електрически двигател, в който силно задвижващо магнитно поле също съществува при нулева скорост на минута (всъщност тогава е най-високата и поради намаляването на ефективността на електродвигателите с увеличаване на скоростта, всички производители на трансмисии за електрически превозни средства в момента разработват двустепенни опции) вътрешен ДВГ има характеристика, при която максималната мощност се постига при обороти, близки до максималните, а максималният въртящ момент - в относително малък диапазон от обороти, в който протичат най-оптималните горивни процеси. Трябва също да се отбележи, че в реалния живот двигателят рядко се използва на кривата на максималния въртящ момент (съответно на кривата на максимална мощност). За съжаление въртящият момент при ниски обороти е минимален и ако трансмисията е свързана директно, дори със съединител, който се изключва и позволява стартиране, колата никога няма да може да извършва дейности като стартиране, ускоряване и шофиране с широк диапазон от скорости. Ето един прост пример - ако двигателят предава скоростта си 1: 1, а размерът на гумата е 195/55 R 15 (засега, абстрахирайки се от наличието на основна предавка), тогава теоретично колата трябва да се движи със скорост 320 км. / ч при 3000 оборота на коляновия вал в минута. Разбира се, автомобилите имат директни или близки предавки и дори верижни предавки, като в този случай крайното задвижване също влиза в уравнението и трябва да се вземе предвид. Ако обаче продължим първоначалната логика на разсъжденията за шофиране с нормална скорост от 60 км / ч в града, двигателят ще се нуждае от само 560 об / мин. Разбира се, няма двигател, способен да направи такъв канап. Има и още една подробност - тъй като чисто физически мощността е правопропорционална на въртящия момент и скоростта (формулата й може да се определи и като скорост х въртящ момент / определен коефициент), а ускорението на едно физическо тяло зависи от приложената към него сила . , разбирайте, в този случай мощността, логично е, че за по-бързо ускорение ще ви трябват по-високи скорости и повече натоварване (т.е. въртящ момент). Звучи сложно, но на практика това означава следното: всеки шофьор, дори и този, който не разбира нищо от технологии, знае, че за да изпревари бързо една кола, трябва да превключите една или дори две предавки по-ниско. По този начин именно при скоростната кутия той моментално доставя по-високи обороти и следователно повече мощност за тази цел със същата степен на натискане на педала. Това е задачата на това устройство - като се вземат предвид характеристиките на двигателя с вътрешно горене, да се осигури работата му в оптимален режим. Шофирането на първа предавка със скорост 100 км / ч ще бъде доста неикономично, а на шеста, подходяща за пистата, е невъзможно да се тръгне. Неслучайно икономичното шофиране изисква ранни превключвания на предавките и двигателят, работещ при пълен товар (т.е. шофиране малко под кривата на максималния въртящ момент). Експертите използват термина „ниска специфична консумация на енергия“, който е в средния диапазон на оборотите и близо до максималното натоварване. Тогава дроселовият клапан на бензиновите двигатели се отваря по-широко и намалява загубите от изпомпване, увеличава налягането в цилиндъра и по този начин подобрява качеството на химичните реакции. По-ниските скорости намаляват триенето и позволяват повече време за пълнене напълно. Състезателните автомобили винаги се движат с висока скорост и имат голям брой предавки (осем във Формула 1), което дава възможност за намалена скорост при превключване и ограничава прехода до зони със значително по-малка мощност.

Всъщност може и без класическа скоростна кутия, но ...

Случаят с хибридните системи и по-специално хибридните системи като Toyota Prius. Този автомобил няма трансмисия от нито един от изброените типове. На практика няма скоростна кутия! Това е възможно, тъй като гореспоменатите недостатъци се компенсират от електрическата система. Трансмисията е заменена от така наречения разделител на мощността, планетарна предавка, която съчетава двигател с вътрешно горене и две електрически машини. За хората, които не са чели подборното обяснение на работата му в книги за хибридни системи и особено за създаването на Prius (последните ги има в онлайн версията на нашия сайт ams.bg), ще кажем само, че механизмът позволява част от механичната енергия на двигателя с вътрешно горене да се пренася директно, механично и частично, да се преобразува в електрическа (с помощта на една машина като генератор) и отново в механична (с помощта на друга машина като електродвигател) . Гениалността на това творение на Toyota (чиято първоначална идея е на американската компания TRW от 60-те) е да осигури висок стартов въртящ момент, който избягва необходимостта от много ниски предавки и позволява на двигателя да работи в ефективни режими. при максимално натоварване, симулиращ възможно най-високата предавка, като електрическата система винаги действа като буфер. Когато е необходима симулация на ускорение и превключване на по-ниска предавка, оборотите на двигателя се увеличават чрез управление на генератора и съответно чрез неговата скорост с помощта на сложна електронна система за управление на тока. Когато се симулират високи предавки, дори две коли трябва да разменят ролите си, за да ограничат скоростта на двигателя. В този момент системата влиза в режим "циркулация на мощността" и нейната ефективност е значително намалена, което обяснява рязкото показване на разхода на гориво на този тип хибридни превозни средства при високи скорости. Така тази технология на практика е компромис, удобен за градско движение, тъй като е очевидно, че електрическата система не може напълно да компенсира липсата на класическа скоростна кутия. За да решат този проблем, инженерите на Honda използват просто, но гениално решение в новата си усъвършенствана хибридна хибридна система, за да се конкурират с Toyota - те просто добавят шеста ръчна трансмисия, която се включва на мястото на високоскоростния хибриден механизъм. Всичко това може да е достатъчно убедително, за да покаже необходимостта от скоростна кутия. Разбира се, ако е възможно с голям брой предавки - факт е, че с ръчно управление просто няма да е удобно за водача да има голям брой и цената ще се увеличи. В момента 7-степенни ръчни трансмисии като тези в Porsche (базирани на DSG) и Chevrolet Corvettes са доста редки.

Всичко започва с вериги и колани

Така че, различни условия изискват определени стойности на необходимата мощност в зависимост от скоростта и въртящия момент. И в това уравнение необходимостта от ефективна работа на двигателя и намален разход на гориво, в допълнение към модерните двигателни технологии, трансмисията става все по-важно предизвикателство.

Естествено, първият проблем, който възниква, е стартирането - в първите леки автомобили най-често срещаната форма на скоростна кутия е верижно задвижване, заимствано от велосипед, или ремъчно задвижване, действащо върху ремъчни шайби с различни диаметри. На практика нямаше неприятни изненади в ремъчното задвижване. Той не само беше толкова шумен, колкото верижните си партньори, но също така не можеше да счупи зъбите, което беше известно от примитивните зъбни механизми, които шофьорите по онова време наричаха „трансмисионна салата“. От началото на века се провеждат експерименти с така нареченото "фрикционно задвижване", което няма съединител или предавки и използва Nissan и Mazda в техните тороидални скоростни кутии (за които ще стане дума по-късно). Алтернативите на зъбните колела обаче имаха и редица сериозни недостатъци - ремъците не издържаха на продължителни натоварвания и нарастващи скорости, бързо се разхлабваха и разкъсваха, а "подложките" на фрикционните колела бяха подложени на твърде бързо износване. Във всеки случай, малко след зората на автомобилната индустрия, зъбните колела станаха необходими и останаха единственият вариант на този етап за предаване на въртящия момент за доста дълъг период от време.

Раждането на механична трансмисия

Леонардо да Винчи проектира и произвежда зъбни колела за своите механизми, но производството на здрави, сравнително точни и издръжливи зъбни колела става възможно едва през 1880 г. благодарение на наличието на подходящи металургични технологии за създаване на висококачествени стомани и металообработващи машини. относително висока точност на работа. Загубата на триене в предавките е намалена до само 2 процента! Това беше моментът, в който те станаха незаменими като част от скоростната кутия, но проблемът остана с тяхното унифициране и поставяне в общия механизъм. Пример за иновативно решение е Daimler Phoenix от 1897 г., в който предавки с различни размери са „сглобени“ в истинска, според днешното разбиране, скоростна кутия, която освен четири скорости има и задна скорост. Две години по-късно Packard стана първата компания, която използва добре познатото позициониране на лоста за превключване на предавките в краищата на буквата „H“. През следващите десетилетия зъбните колела вече не съществуват, но механизмите продължават да се подобряват в името на по -лесна работа. Карл Бенц, който оборудва първите си серийни автомобили с планетарна скоростна кутия, успя да оцелее при появата на първите синхронизирани скоростни кутии, разработени от Cadillac и La Salle през 1929 г. Две години по-късно синхронизаторите вече се използват от Mercedes, Mathis, Maybach и Horch, а след това и от други Vauxhall, Ford и Rolls-Royce. Една подробност - всички бяха с несинхронизирана първа предавка, което много дразнеше водачите и изискваше специални умения. Първата напълно синхронизирана скоростна кутия е използвана от английския Alvis Speed ​​Twenty през октомври 1933 г. и е създадена от известната немска компания, която все още носи името „Gear Factory“ ZF, което често ще споменаваме в нашата история. Едва в средата на 30-те години синхронизаторите започнаха да се инсталират на други марки, но в по-евтините автомобили и камиони шофьорите продължават да се борят с лоста за превключване и превключване на предавките. Всъщност решение на проблема с този вид неудобство е търсено много по-рано с помощта на различни трансмисионни конструкции, също насочени към постоянно зацепване на зъбни двойки и свързването им с вала - в периода от 1899 до 1910 г. De Dion Bouton разработи интересна трансмисия, в която зъбните колела са постоянно зацепени, а връзката им с вторичния вал се осъществява с помощта на малки съединители. Panhard-Levasseur имаше подобно развитие, но в своето развитие постоянно задействаните зъбни колела бяха здраво свързани с вала с помощта на щифтове. Дизайнерите, разбира се, не спряха да мислят как да улеснят шофьорите и да предпазят автомобилите от ненужни повреди. През 1914 г. инженерите на Cadillac решават, че могат да използват мощността на своите огромни двигатели и да оборудват автомобилите с регулируемо крайно задвижване, което може да превключва електрически и да променя предавателното отношение от 4,04: на 2,5: 1.

20-те и 30-те години бяха време на невероятни изобретения, които са част от постоянното натрупване на знания през годините. Например през 1931 г. френската компания Cotal създава електромагнитно превключвана ръчна скоростна кутия, управлявана от малък лост на волана, който от своя страна е комбиниран с малък лост за празен ход, поставен на пода. Споменаваме последната характеристика, защото позволява на автомобила да има точно толкова предавки за напред, колкото има четири задни предавки. По това време престижни марки като Delage, Delahaye, Salmson и Voisin се интересуват от изобретението на Котал. В допълнение към гореспоменатото странно и забравено „предимство“ на много модерни предавки със задно задвижване, тази невероятна скоростна кутия също има способността да „взаимодейства“ с автоматичен превключвател на Fleschel, който превключва предавките, когато скоростта пада поради натоварването на двигателя и всъщност е един от първите опити за автоматизиране на процеса.

Повечето автомобили от 40-те и 50-те са имали три предавки, тъй като двигателите не са развивали повече от 4000 оборота в минута. С увеличаването на оборотите, въртящия момент и кривите на мощност трите предавки вече не покриват обхвата на оборотите. Резултатът е дисхармонично движение с характерна „зашеметяваща“ предавка при повдигане и прекомерно форсиране при превключване към по-ниско. Логичното решение на проблема беше масивната смяна на четиристепенна скоростна кутия през 60-те години, а първите петстепенни скоростни кутии през 70-те години бяха важен етап за производителите, които с гордост отбелязаха наличието на такава скоростна кутия заедно с модела на автомобила. Наскоро собственикът на класически Opel Commodore ми каза, че когато е купил колата, тя е била на 3 предавки и е средно 20 л / 100 км. Когато смени скоростната кутия на четиристепенна, разходът беше 15 л / 100 км и след като най-накрая получи петстепенна скорост, последната спадна до 10 литра.

Днес на практика няма автомобили с по-малко от пет предавки, а шест скорости стават норма при по-високите версии на компактните модели. Шестата идея в повечето случаи е силно намаляване на скоростта при високи обороти, а в някои случаи, когато не е толкова дълго и намаляването на скоростта спада при превключване. Многостепенните трансмисии имат особено положителен ефект върху дизеловите двигатели, чиито агрегати имат висок въртящ момент, но значително намален работен обхват поради основния характер на дизеловия двигател.

(да последвам)

Текст: Георги Колев