Prøvekjøring Historien om biltransmisjoner - del 1

I en serie artikler vil vi fortelle deg om historien til girkasser for biler og lastebiler - kanskje som et nikk til anledningen av 75-årsjubileet for opprettelsen av den første automatiske girkassen.

1993 Under testing før løp på Silverstone forlot Williams testfører David Coulthard banen for neste test i den nye Williams FW 15C. På vått fortau spruter bilen overalt, men likevel kan alle høre den merkelige monotone høyhastighetslyden av en ti-sylindret motor. Frank William bruker åpenbart en annen type overføring. Det er klart for de opplyste at dette ikke er noe mer enn en kontinuerlig variabel girkasse designet for å møte behovene til en Formel 1-motor. Senere viste det seg at den ble utviklet med hjelp av de allestedsnærværende Van Doorn-spesialistene. overføring av infeksjon. De to konspirerende selskapene har tømt enorme ingeniør- og økonomiske ressurser i dette prosjektet de siste fire årene for å lage en fullt funksjonell prototype som kan omskrive reglene for dynamikk i sportsdronningen. I YouTube-videoen i dag kan du se testene av denne modellen, og Coulthard selv hevder at han liker arbeidet hennes – spesielt i hjørnet, hvor det ikke er nødvendig å kaste bort tid på å gire ned – alt blir tatt hånd om av elektronikk. Dessverre mistet alle som jobbet med prosjektet fruktene av arbeidet sitt. Lovgivere var raske til å forby bruken av slike pass i Formel, angivelig på grunn av "urettferdig fordel". Reglene ble endret og CVT- eller CVT-girkasser med kilerem var historie med bare denne korte opptredenen. Saken er avsluttet og Williams bør gå tilbake til halvautomatiske girkasser, som fortsatt er standard i Formel 1 og som igjen ble en revolusjon på slutten av 80-tallet. Forresten, tilbake i 1965 gjorde DAF med Variomatic-girkassen forsøk på å komme inn på motorsportbanen, men på den tiden var mekanismen så massiv at selv uten innblanding av subjektive faktorer var den dømt til å mislykkes. Men det er en annen historie.

Vi har gjentatte ganger sitert eksempler på hvor mye innovasjon i den moderne bilindustrien er et resultat av gamle ideer født i hodene på ekstremt begavede og kresne mennesker. På grunn av sin mekaniske karakter er girkasser et av de viktigste eksemplene på hvordan de kan implementeres når tiden er riktig. I dag har kombinasjonen av avanserte materialer og produksjonsprosesser og e-forvaltning skapt muligheten for utrolig effektive løsninger i alle former for overføring. Trenden mot lavere forbruk på den ene siden og spesifisiteten til nye motorer med reduserte dimensjoner (for eksempel behovet for å raskt overvinne et turbohull) fører til behovet for å lage automatgir med et bredere spekter av girforhold og følgelig, et stort antall gir. Deres rimeligere alternativer er CVT -er for små biler, ofte brukt av japanske bilprodusenter, og automatiske manuelle girkasser som Easytronic. Opel (også for små biler). Mekanismene for parallelle hybridsystemer er spesifikke, og som en del av utslippsreduksjonsarbeidet skjer drivelektrifisering faktisk i overføringer.

En motor klarer seg ikke uten girkasse

Hittil har ikke menneskeheten oppfunnet en mer effektiv metode for direkte overføring av mekanisk energi (med unntak av, selvfølgelig, hydrauliske mekanismer og hybridelektriske systemer) enn metoder som bruker belter, kjeder og gir. Det er selvfølgelig utallige variasjoner på dette temaet, og du kan bedre forstå essensen av dem ved å liste opp de mest fremragende utviklingene i dette området de siste årene.

Konseptet med elektronisk giring, eller elektronisk indirekte kobling av kontrollmekanismen til girkassen, er langt fra det siste ropet, for i 1916 skapte Pullman-selskapet i Pennsylvania en girkasse som gir elektrisk gir. Ved å bruke det samme arbeidsprinsippet i en forbedret form, ble den tjue år senere installert i den avantgardistiske Cord 812 - en av de mest futuristiske og fantastiske bilene, ikke bare i 1936, da den ble opprettet. Det er betydelig nok at denne ledningen kan bli funnet på forsiden av en bok om bragdene til industriell design. Transmisjonen overfører dreiemoment fra motoren til forakselen (!), og girskiftet er direkte filigran for den daværende representasjonen av rattstammen, som aktiverer spesielle elektriske brytere som aktiverer et komplekst system av elektromagnetiske enheter med vakuummembraner, inkludert gir. Ledningsdesignere klarte å kombinere alt dette med hell, og det fungerer bra ikke bare i teorien, men også i praksis. Det var et virkelig mareritt å sette opp synkronisering mellom girskifting og clutchdrift, og ifølge datidens bevis var det mulig å sende en mekaniker til et psykiatrisk sykehus. Cord var imidlertid en luksusbil, og eierne hadde ikke råd til den tilfeldige holdningen til mange moderne produsenter til nøyaktigheten av denne prosessen - i praksis skifter de fleste automatiserte (ofte kalt robot- eller halvautomatiske) girkasser med en karakteristisk forsinkelse, og ofte vindkast.

Ingen hevder at synkronisering er en mye enklere oppgave med de enklere og mer utbredte manuelle girkassene i dag, fordi spørsmålet "Hvorfor er det nødvendig å bruke en slik enhet i det hele tatt?" Har en grunnleggende karakter. Årsaken til denne komplekse hendelsen, men også åpningen av en forretningsnisje for milliarder, ligger i selve forbrenningsmotorens natur. I motsetning til for eksempel en dampmaskin, hvor trykket til dampen som tilføres sylindrene kan endres relativt lett, og trykket kan endres under oppstart og normal drift, eller fra en elektrisk motor, hvor et sterkt drivende magnetfelt eksisterer også ved null hastighet per minutt (faktisk er det den høyeste, og på grunn av reduksjonen i effektiviteten til elektriske motorer med økende hastighet, utvikler alle produsenter av girkasser for elektriske kjøretøy for tiden to-trinns alternativer) en intern Forbrenningsmotor har en karakteristikk der maksimal effekt oppnås ved hastigheter nær maksimum, og maksimalt dreiemoment - i et relativt lite hastighetsområde, der de mest optimale forbrenningsprosessene oppstår. Det skal også bemerkes at i virkeligheten brukes motoren sjelden på den maksimale dreiemomentkurven (henholdsvis på den maksimale effektutviklingskurven). Dessverre er dreiemomentet ved lave turtall minimalt, og hvis girkassen er direkte tilkoblet, selv med en clutch som løsner og muliggjør start, vil bilen aldri kunne utføre handlinger som å starte, akselerere og kjøre i et bredt hastighetsområde. Her er et enkelt eksempel - hvis motoren overfører hastigheten 1: 1, og dekkstørrelsen er 195/55 R 15 (for nå, abstrahert fra tilstedeværelsen av hovedgiret), så skal bilen teoretisk sett bevege seg med en hastighet på 320 km. / t ved 3000 veivakselomdreininger per minutt. Selvfølgelig har biler direkte eller tette gir og til og med beltegir, i så fall kommer den endelige stasjonen også i ligningen og må tas i betraktning. Men hvis vi fortsetter den opprinnelige logikken med resonnement om å kjøre med en normal hastighet på 60 km / t i byen, trenger motoren bare 560 o / min. Selvfølgelig er det ingen motor som er i stand til å gjøre en slik hyssing. Det er en detalj til - fordi, rent fysisk, er kraft direkte proporsjonal med dreiemoment og hastighet (formelen kan også defineres som hastighet x dreiemoment / en viss koeffisient), og akselerasjonen til en fysisk kropp avhenger av kraften som påføres den . , forstå, i dette tilfellet kraften, det er logisk at for raskere akselerasjon trenger du høyere hastigheter og mer belastning (dvs. dreiemoment). Det høres komplisert ut, men i praksis betyr dette følgende: hver sjåfør, til og med en som ikke forstår noe innen teknologi, vet at for å raskt overhale en bil må du skifte ett eller to gir lavere. Dermed er det med girkassen at den umiddelbart gir høyere turtall og derfor mer kraft til dette formålet med samme grad av pedaltrykk. Dette er oppgaven til denne enheten - under hensyntagen til egenskapene til forbrenningsmotoren, for å sikre at den fungerer i optimal modus. Å kjøre i første gir med en hastighet på 100 km / t vil være ganske uøkonomisk, og i det sjette, som er egnet for banen, er det umulig å komme i gang. Det er ikke tilfeldig at økonomisk kjøring krever tidlige girskift og at motoren går ved full belastning (dvs. kjører litt under den maksimale dreiemomentkurven). Eksperter bruker begrepet "lavt spesifikt strømforbruk", som er i det midterste turtallsområdet og nær maksimal belastning. Da åpner gassventilen til bensinmotorer bredere og reduserer pumpetap, øker sylindertrykket og forbedrer derved kvaliteten på kjemiske reaksjoner. Lavere hastigheter reduserer friksjonen og gir mer tid til å fylle helt. Racerbiler kjører alltid i høye hastigheter og har et stort antall gir (åtte i Formel 1), noe som gir mulighet for redusert hastighet når du skifter og begrenser overgangen til områder med betydelig mindre kraft.

Faktisk kan den klare seg uten en klassisk girkasse, men ...

Tilfellet med hybridsystemer og spesielt hybridsystemer som Toyota Prius. Denne bilen har ikke girkasse av noen av de oppførte typene. Den har nesten ingen girkasse! Dette er mulig fordi de nevnte manglene kompenseres for av det elektriske anlegget. Transmisjonen er erstattet av en såkalt kraftsplitter, et planetgir som kombinerer en forbrenningsmotor og to elektriske maskiner. For folk som ikke har lest den selektive forklaringen av driften i bøker om hybridsystemer og spesielt om etableringen av Prius (sistnevnte er tilgjengelig på nettversjonen av nettstedet vårt ams.bg), vil vi bare si at mekanismen tillater en del av den mekaniske energien til forbrenningsmotoren som skal overføres direkte, mekanisk og delvis, konverteres til elektrisk (ved hjelp av en maskin som generator) og igjen til mekanisk (ved hjelp av en annen maskin som en elektrisk motor) . Det geniale med denne kreasjonen av Toyota (hvis opprinnelige idé var det amerikanske selskapet TRW fra 60-tallet) er å gi høyt startmoment, som unngår behovet for svært lave gir og lar motoren fungere i effektive moduser. ved maksimal belastning, simulerer høyest mulig gir, med det elektriske systemet som alltid fungerer som en buffer. Når simulering av akselerasjon og nedgiring er nødvendig, økes motorhastigheten ved å kontrollere generatoren og følgelig med hastigheten ved hjelp av et sofistikert elektronisk strømkontrollsystem. Når man simulerer høye gir, må til og med to biler bytte rolle for å begrense hastigheten på motoren. På dette tidspunktet går systemet inn i "power circulation"-modus og effektiviteten reduseres betydelig, noe som forklarer den skarpe visningen av drivstofforbruket til denne typen hybridbiler ved høye hastigheter. Dermed er denne teknologien i praksis et kompromiss som er praktisk for bytrafikk, siden det er åpenbart at det elektriske systemet ikke fullt ut kan kompensere for fraværet av en klassisk girkasse. For å løse dette problemet bruker Hondas ingeniører en enkel, men genial løsning i sitt nye sofistikerte hybridhybridsystem for å konkurrere med Toyota – de legger ganske enkelt til en sjette manuell girkasse som kobler inn i stedet for høyhastighetshybridmekanismen. Alt dette kan være overbevisende nok til å vise behovet for en girkasse. Selvfølgelig, hvis mulig med et stort antall gir - faktum er at med manuell kontroll vil det rett og slett ikke være behagelig for sjåføren å ha et stort antall, og prisen vil øke. For øyeblikket er 7-trinns manuelle girkasser som de som finnes i Porsche (basert på DSG) og Chevrolet Corvettes ganske sjeldne.

Det hele starter med lenker og belter

Så forskjellige forhold krever visse verdier av den nødvendige effekten, avhengig av hastighet og dreiemoment. Og i denne ligningen blir behovet for effektiv motordrift og redusert drivstofforbruk, i tillegg til moderne motorteknologi, transmisjon en stadig viktigere utfordring.

Naturligvis er det første problemet som oppstår å starte - i de første personbilene var den vanligste formen for girkasse et kjededrev, lånt fra en sykkel, eller et beltedrev som virket på remskiver med forskjellige diametre. I praksis var det ingen ubehagelige overraskelser i remdriften. Ikke bare var den like støyende som kjedepartnerne, men den kunne heller ikke knuse tenner, noe som var kjent fra de primitive girmekanismene som sjåførene på den tiden omtalte som "transmission salat". Siden århundreskiftet har det blitt utført eksperimenter med den såkalte «friksjonshjulsdriften», som verken har clutch eller gir, og som bruker Nissan og Mazda i sine ringkernske girkasser (som vil bli diskutert senere). Alternativene til tannhjul hadde imidlertid også en rekke alvorlige ulemper - beltene tålte ikke langvarig belastning og økende hastighet, de ble raskt løse og revet, og "putene" på friksjonshjulene ble utsatt for for rask slitasje. I alle fall, kort tid etter begynnelsen av bilindustrien, ble gir nødvendig og forble det eneste alternativet på dette stadiet for å overføre dreiemoment i ganske lang tid.

Fødselen av en mekanisk overføring

Leonardo da Vinci designet og produserte tannhjul for sine mekanismer, men produksjon av sterke, rimelig nøyaktige og holdbare tannhjul ble først mulig i 1880 takket være tilgjengeligheten av passende metallurgiske teknologier for å lage stål og metallbearbeidingsmaskiner av høy kvalitet. relativt høy nøyaktighet av arbeidet. Friksjonstap i gir reduseres til bare 2 prosent! Dette var øyeblikket da de ble uunnværlige som en del av girkassen, men problemet var igjen med deres forening og plassering i den generelle mekanismen. Et eksempel på en nyskapende løsning er Daimler Phoenix fra 1897, der gir i forskjellige størrelser ble "montert" til en ekte, etter dagens forståelse, en girkasse, som i tillegg til fire hastigheter også har en revers. To år senere ble Packard det første selskapet som brukte den velkjente posisjoneringen av girspaken i enden av bokstaven "H". I de følgende tiårene var tannhjulene ikke mer, men mekanismene fortsatte å bli forbedret for å gjøre det enklere å jobbe. Carl Benz, som utstyrte sine første produksjonsbiler med en planetgirkasse, klarte å overleve utseendet til de første synkroniserte girkassene utviklet av Cadillac og La Salle i 1929. To år senere var synkronisatorer allerede i bruk av Mercedes, Mathis, Maybach og Horch, og deretter en annen Vauxhall, Ford og Rolls-Royce. En detalj - alle hadde et usynkronisert førstegir, noe som irriterte sjåførene sterkt og krevde spesielle ferdigheter. Den første fullt synkroniserte girkassen ble brukt av engelske Alvis Speed ​​Twenty i oktober 1933 og ble opprettet av det berømte tyske selskapet, som fremdeles bærer navnet "Gear Factory" ZF, som vi ofte vil referere til i historien vår. Det var ikke før på midten av 30-tallet at synkronisering begynte å bli installert på andre merker, men i billigere biler og lastebiler fortsatte sjåførene å slite med girspaken for å flytte og skifte gir. Faktisk ble en løsning på problemet med denne typen ulemper søkt mye tidligere ved hjelp av forskjellige transmisjonsstrukturer, også rettet mot konstant å gripe inn girpar og koble dem til akselen - i perioden fra 1899 til 1910, De Dion Bouton utviklet en interessant girkasse der girene hele tiden er i inngrep, og deres tilkobling til sekundærakselen utføres ved hjelp av små koblinger. Panhard-Levasseur hadde en lignende utvikling, men i utviklingen var permanentkoblede gir godt forbundet med akselen ved hjelp av pinner. Designerne sluttet selvfølgelig ikke å tenke på hvordan de skulle gjøre det lettere for sjåfører og beskytte biler mot unødvendig skade. I 1914 bestemte Cadillac -ingeniører at de kunne utnytte kraften i de enorme motorene og utstyre bilene med en justerbar sluttdrift som kunne skifte elektrisk og endre girforholdet fra 4,04: til 2,5: 1.

20- og 30-tallet var en tid med utrolige oppfinnelser som er en del av den konstante akkumuleringen av kunnskap gjennom årene. For eksempel, i 1931, skapte det franske selskapet Cotal en elektromagnetisk forskjøvet manuell girkasse kontrollert av en liten spak på rattet, som igjen ble kombinert med en liten tomgangsspak plassert på gulvet. Vi nevner sistnevnte funksjon fordi den lar bilen ha nøyaktig like mange gir fremover som det er fire revers. På den tiden var prestisjetunge merker som Delage, Delahaye, Salmson og Voisin interessert i Kotals oppfinnelse. I tillegg til den nevnte bisarre og glemte "fordelen" med mange moderne bakhjulsdrevne gir, har denne utrolige girkassen også muligheten til å "samhandle" med en Fleschel automatisk girskifter som skifter gir når hastigheten synker på grunn av motorbelastning og faktisk er et av de første forsøkene på å automatisere prosessen.

De fleste biler fra 40- og 50-tallet hadde tre gir, fordi motorene ikke utviklet mer enn 4000 o / min. Med økningen i turtall, dreiemoment og kraftkurver dekket ikke de tre girene lenger turtallsområdet. Resultatet var en uharmonisk bevegelse med en karakteristisk "fantastisk" overføring når du løfter og overdreven kraft når du skifter til en lavere. Den logiske løsningen på problemet var den massive overgangen til en firetrinns girkasse på 60-tallet, og de første fem-trinns girkassene på 70-tallet var en viktig milepæl for produsenter som stolt bemerket tilstedeværelsen av en slik girkasse sammen med modellbildet på bilen. Nylig fortalte eieren av en klassisk Opel Commodore at da han kjøpte bilen, var den i 3 gir og var i gjennomsnitt 20 l / 100 km. Da han byttet girkasse til en firetrinns girkasse, var forbruket 15 l / 100 km, og etter at han endelig fikk en femtrinns sank sistnevnte til 10 liter.

I dag er det praktisk talt ingen biler med mindre enn fem gir, og seks hastigheter blir normen i høyere versjoner av kompakte modeller. Den sjette ideen er i de fleste tilfeller en sterk reduksjon i hastighet ved høye turtall, og i noen tilfeller når den ikke er så lang og hastighetsreduksjonen synker når du skifter. Flertrinns girkasser har en særlig positiv effekt på dieselmotorer, hvis enheter har høyt dreiemoment, men et betydelig redusert driftsområde på grunn av dieselmotorens grunnleggende natur.

(å følge)

Tekst: Georgy Kolev