Testna vožnja Zgodovina avtomobilskih menjalnikov - 1. del

V nizu člankov vam bomo povedali o zgodovini menjalnikov za avtomobile in tovornjake – morda kot naklon ob 75. obletnici izdelave prvega avtomatskega menjalnika.

1993 Med testiranjem pred dirko v Silverstonu je Williamsov testni voznik David Coulthard zapustil stezo za naslednji test v novem Williams FW 15C. Na mokrem pločniku avto škropi povsod, a vseeno lahko vsi slišijo nenavaden monoton zvok desetvaljnega motorja pri visokih hitrostih. Očitno Frank William uporablja drugačno vrsto prenosa. Razsvetljenim je jasno, da to ni nič drugega kot brezstopenjski menjalnik, zasnovan za potrebe motorja Formule 1. Kasneje se je izkazalo, da so ga razvili s pomočjo vseprisotnih Van Doorn specialistov. prenos okužbe. Dve zarotniški podjetji sta v ta projekt v zadnjih štirih letih vložili ogromne inženirske in finančne vire, da bi ustvarili popolnoma delujoč prototip, ki bi lahko na novo napisal pravila dinamike v športni kraljici. V videu na YouTubu si danes lahko ogledate teste tega modela, sam Coulthard pa trdi, da mu je njeno delo všeč – predvsem v ovinku, kjer ni treba izgubljati časa s prestavljanjem navzdol – za vse poskrbi elektronika. Na žalost so vsi, ki so delali na projektu, izgubili sadove svojega dela. Zakonodajalci so hitro prepovedali uporabo takih prepustnic v formuli, domnevno zaradi "nepoštene prednosti". Pravila so bila spremenjena in CVT ali CVT menjalniki s klinastim jermenom so bili le s tem kratkim pojavom zgodovina. Zadeva je zaključena in Williams bi se moral vrniti k polavtomatskim menjalnikom, ki so še vedno standardni v Formuli 1 in ki so v poznih 80. letih postali revolucija. Mimogrede, leta 1965 je DAF z menjalnikom Variomatic poskušal vstopiti na stezo motošporta, vendar je bil takrat mehanizem tako masiven, da je bil tudi brez posredovanja subjektivnih dejavnikov obsojen na neuspeh. Ampak to je druga zgodba.

Večkrat smo navajali primere, koliko inovacij v sodobni avtomobilski industriji je rezultat starih idej, rojenih v glavah izjemno nadarjenih in razsodnih ljudi. Zaradi svoje mehanske narave so menjalniki eden najboljših primerov, kako jih je mogoče izvesti, ko je pravi čas. Danes je kombinacija naprednih materialov in proizvodnih procesov ter e-uprave ustvarila priložnost za neverjetno učinkovite rešitve v vseh oblikah prenosa. Trend nižje porabe na eni strani in posebnost novih motorjev z zmanjšanimi merami (na primer potreba po hitrem premagovanju turbo luknje) so privedli do potrebe po ustvarjanju samodejnih menjalnikov s širšim razponom prestavnih razmerij in s tem veliko število prestav. Njihove cenovno ugodnejše možnosti so CVT za majhne avtomobile, ki jih pogosto uporabljajo japonski proizvajalci avtomobilov, in samodejni ročni menjalniki, kot je Easytronic. Opel (tudi za manjše avtomobile). Mehanizmi vzporednih hibridnih sistemov so specifični in v okviru prizadevanj za zmanjšanje emisij se električna energija pogona dejansko pojavi v menjalnikih.

Motor ne more brez menjalnika

Do danes človeštvo ni izumilo učinkovitejšega načina neposrednega prenosa mehanske energije (razen seveda hidravličnih mehanizmov in hibridnih električnih sistemov) kot metod z uporabo jermenov, verig in zobnikov. Seveda je na to temo nešteto različic, njihovo bistvo pa lahko bolje razumete tako, da navedete najbolj izjemne dosežke na tem področju v zadnjih letih.

Koncept elektronskega prestavljanja oziroma elektronske posredne povezave krmilnega mehanizma z menjalnikom še zdaleč ni zadnji krik, saj je podjetje Pullman iz Pensilvanije leta 1916 ustvarilo menjalnik, ki prestavlja električno. Z enakim principom delovanja v izboljšani obliki so ga dvajset let kasneje vgradili v avantgardni Cord 812 - enega najbolj futurističnih in čudovitih avtomobilov ne le leta 1936, ko je bil ustvarjen. Dovolj pomenljivo je, da je to vrvico mogoče najti na naslovnici knjige o dosežkih industrijskega oblikovanja. Njegov menjalnik prenaša navor z motorja na sprednjo os (!), prestavljanje pa je neposredno filigransko za takratno predstavitev volanskega droga, ki aktivira posebna električna stikala, ki aktivirajo zapleten sistem elektromagnetnih naprav z vakuumskimi membranami, vključno s prestavami. Vse to je oblikovalcem kablov uspelo uspešno združiti in se odlično obnese ne le v teoriji, ampak tudi v praksi. Nastavitev sinhronizacije med prestavljanjem in delovanjem sklopke je bila prava nočna mora, po takratnih pričevanjih pa je bilo mogoče mehanika poslati na psihiatrijo. Vendar je bil Cord luksuzen avtomobil in njegovi lastniki si niso mogli privoščiti ležernega odnosa mnogih sodobnih proizvajalcev do natančnosti tega procesa - v praksi večina avtomatiziranih (pogosto imenovanih robotski ali polavtomatski) menjalniki prestavljajo z značilno zamudo, in pogosto sunki.

Nihče ne trdi, da je sinhronizacija pri danes enostavnejših in bolj razširjenih ročnih menjalnikih bistveno lažja naloga, saj se vprašanje "Zakaj je sploh potrebna uporaba takšne naprave?" Ima temeljni značaj. Razlog za ta zapleten dogodek, a hkrati tudi odpiranje poslovne niše za milijarde, je v sami naravi motorja z notranjim zgorevanjem. Za razliko od na primer parnega stroja, kjer se lahko tlak pare, dovedene v valje, razmeroma enostavno spremeni, njegov tlak pa se lahko spremeni med zagonom in normalnim delovanjem, ali od elektromotorja, v katerem močno pogonsko magnetno polje obstaja tudi pri ničelni hitrosti na minuto (pravzaprav je takrat najvišja in zaradi zmanjšanja učinkovitosti elektromotorjev z naraščajočo hitrostjo vsi proizvajalci menjalnikov za električna vozila trenutno razvijajo dvostopenjske možnosti) notranji Motor z notranjim zgorevanjem ima značilnost, pri kateri je največja moč dosežena pri vrtilnih frekvencah, ki so blizu največjim, in največji navor - v relativno majhnem območju vrtilnih frekvenc, v katerih se odvijajo najbolj optimalni procesi zgorevanja. Upoštevati je treba tudi, da se motor v resničnem življenju redko uporablja na krivulji največjega navora (oziroma na krivulji razvoja največje moči). Žal je navor pri nizkih vrtljajih minimalen in če je menjalnik neposredno povezan, tudi s sklopko, ki se sprosti in omogoča zagon, avtomobil nikoli ne bo mogel opravljati dejavnosti, kot so speljevanje, pospeševanje in vožnja v širokem območju hitrosti. Tukaj je preprost primer - če motor prenaša svojo hitrost 1: 1 in je velikost pnevmatike 195/55 R 15 (zaenkrat, če odvzamemo prisotnost glavne prestave), potem bi se teoretično avto moral premikati s hitrostjo 320 km. / h pri 3000 vrtljajih motorne gredi na minuto. Seveda imajo avtomobili neposredno ali zaprto prestavo in celo gosenice, v tem primeru tudi končni pogon pride v enačbo in jo je treba upoštevati. Če pa bomo nadaljevali prvotno logiko sklepanja o vožnji z normalno hitrostjo 60 km / h v mestu, bo motor potreboval le 560 vrtljajev na minuto. Seveda ni motorja, ki bi zmogel takšno vrvico. Obstaja še ena podrobnost - ker je čisto fizično moč neposredno sorazmerna z navorom in hitrostjo (njeno formulo lahko definiramo tudi kot hitrost x navor / določen koeficient), pospešek fizičnega telesa pa je odvisen od sile, ki deluje nanj. . , razumejte, v tem primeru je moč, logično je, da boste za hitrejše pospeševanje potrebovali večje hitrosti in večjo obremenitev (tj. navor). Sliši se zapleteno, v praksi pa to pomeni naslednje: vsak voznik, tudi tisti, ki se ničesar ne razume v tehnologijo, ve, da morate za hitro prehitevanje avtomobila prestaviti eno ali celo dve prestavi nižje. Tako z menjalnikom takoj prinese višje vrtljaje in s tem več moči v ta namen z enakim pritiskom na pedal. To je naloga te naprave - ob upoštevanju značilnosti motorja z notranjim zgorevanjem zagotoviti njegovo delovanje v optimalnem načinu. Vožnja v prvi prestavi s hitrostjo 100 km / h bo precej neekonomična, v šesti, primerni za progo, pa je nemogoče začeti. Ni naključje, da varčna vožnja zahteva zgodnje prestavljanje in motor, ki deluje pri polni obremenitvi (tj. Vožnja nekoliko pod krivuljo največjega navora). Strokovnjaki uporabljajo izraz "nizka specifična poraba energije", ki je v srednjem območju vrtljajev in blizu največje obremenitve. Nato se dušilni ventil bencinskih motorjev odpre širše in zmanjša črpalne izgube, poveča tlak v jeklenkah in s tem izboljša kakovost kemičnih reakcij. Počasnejše hitrosti zmanjšujejo trenje in omogočajo več časa, da se popolnoma napolni. Dirkalniki vedno vozijo z visoko hitrostjo in imajo veliko število prestav (osem v formuli 1), kar omogoča zmanjšano hitrost pri prestavljanju in omejuje prehod na območja z bistveno manjšo močjo.

Pravzaprav gre brez klasičnega menjalnika, ampak ...

Primer hibridnih sistemov in zlasti hibridnih sistemov, kot je Toyota Prius. Ta avto nima menjalnika nobene od naštetih vrst. Menjalnika praktično nima! To je mogoče, ker omenjene pomanjkljivosti kompenzira električni sistem. Menjalnik nadomešča tako imenovani razdelilnik moči, planetno gonilo, ki združuje motor z notranjim zgorevanjem in dva električna stroja. Za tiste, ki niso prebrali selektivne razlage njegovega delovanja v knjigah o hibridnih sistemih in predvsem o nastanku Priusa (slednje so na voljo na spletni različici naše strani ams.bg), bomo rekli le, da mehanizem omogoča del mehanske energije motorja z notranjim zgorevanjem se neposredno, mehansko in delno prenese, pretvori v električno (s pomočjo enega stroja kot generatorja) in spet v mehansko (s pomočjo drugega stroja kot elektromotorja) . Genialnost te stvaritve Toyote (katere izvirna ideja je bila ameriška družba TRW iz 60-ih) je zagotoviti visok zagonski navor, ki se izogne ​​potrebi po zelo nizkih prestavah in omogoča, da motor deluje v učinkovitih načinih. pri največji obremenitvi, ki simulira najvišjo možno prestavo, pri čemer električni sistem vedno deluje kot blažilnik. Ko je potrebna simulacija pospeševanja in prestavljanja v nižjo prestavo, se vrtilna frekvenca motorja poveča s krmiljenjem generatorja in temu primerno z njegovo hitrostjo s pomočjo sofisticiranega elektronskega sistema za nadzor toka. Pri simulaciji visokih prestav morata celo dva avtomobila zamenjati vlogi, da omejita hitrost motorja. Na tej točki sistem preide v način "kroženja moči" in njegova učinkovitost se bistveno zmanjša, kar pojasnjuje oster prikaz porabe goriva tovrstnih hibridnih vozil pri visokih hitrostih. Tako je ta tehnologija v praksi kompromis, primeren za mestni promet, saj je očitno, da električni sistem ne more v celoti nadomestiti odsotnosti klasičnega menjalnika. Da bi rešili to težavo, Hondini inženirji uporabljajo preprosto, a domiselno rešitev v svojem novem izpopolnjenem hibridnem hibridnem sistemu, da konkurirajo Toyoti – preprosto dodajo šesti ročni menjalnik, ki se vklopi namesto hitrega hibridnega mehanizma. Vse to je morda dovolj prepričljivo, da kaže na potrebo po menjalniku. Seveda, če je možno z velikim številom prestav - dejstvo je, da z ročnim upravljanjem vozniku preprosto ne bo udobno imeti velikega števila in cena se bo povečala. Trenutno so 7-stopenjski ročni menjalniki, kot jih najdemo v Porscheju (na osnovi DSG) in Chevrolet Corvette, precej redki.

Vse se začne z verigami in jermeni

Torej različni pogoji zahtevajo določene vrednosti zahtevane moči, odvisno od hitrosti in navora. In v tej enačbi postaja potreba po učinkovitem delovanju motorja in zmanjšani porabi goriva, poleg sodobne motorne tehnologije, vse pomembnejši izziv.

Seveda je prva težava, ki se pojavi pri zagonu - v prvih osebnih avtomobilih je bila najpogostejša oblika menjalnika verižni pogon, izposojen iz kolesa, ali jermenski pogon, ki deluje na jermenice različnih premerov. V praksi pri jermenskem pogonu ni bilo neprijetnih presenečenj. Ne samo, da je bil tako hrupen kot njegovi verižni partnerji, ampak tudi ni mogel zlomiti zob, kar je bilo znano iz primitivnih zobniških mehanizmov, ki so jih takratni vozniki imenovali "menjalnik solata". Od preloma stoletja so se izvajali poskusi s tako imenovanim "friction wheel drive", ki nima sklopke ali zobnikov in uporablja Nissan in Mazda v svojih toroidnih menjalnikih (o katerih bo govora kasneje). Vendar so imele alternative zobnikom tudi številne resne pomanjkljivosti - jermeni niso zdržali dolgotrajnih obremenitev in naraščajočih hitrosti, hitro so se zrahljali in strgali, "blazinice" tornih koles pa so bile izpostavljene prehitri obrabi. Kakor koli že, kmalu po zori avtomobilske industrije so zobniki postali nujni in na tej stopnji ostali edina možnost za prenos navora precej dolgo obdobje.

Rojstvo mehanskega menjalnika

Leonardo da Vinci je zasnoval in izdelal zobnike za svoje mehanizme, vendar je bila proizvodnja močnih, primerno natančnih in vzdržljivih zobnikov mogoča šele leta 1880 zaradi razpoložljivosti ustreznih metalurških tehnologij za ustvarjanje visokokakovostnega jekla in strojev za obdelavo kovin. relativno visoka natančnost dela. Izguba trenja v prestavah se je zmanjšala na le 2 odstotka! To je bil trenutek, ko so postali nepogrešljivi kot del menjalnika, vendar je problem ostal pri njihovi poenotenju in umestitvi v splošni mehanizem. Primer inovativne rešitve je Daimler Phoenix iz leta 1897, v katerem so zobnike različnih velikosti »sestavili« v pravi po današnjem razumevanju menjalnik, ki ima poleg štirih hitrosti tudi vzvratno prestavo. Dve leti pozneje je Packard kot prvo podjetje uporabil znano pozicioniranje prestavne ročice na koncu črke "H". V naslednjih desetletjih prestave niso bile več, vendar so se mehanizmi še naprej izboljševali v imenu lažjega dela. Carl Benz, ki je svoje prve serijske avtomobile opremil s planetarnim menjalnikom, je uspel preživeti pojav prvih sinhroniziranih menjalnikov, ki sta jih leta 1929 ustvarila Cadillac in La Salle. Dve leti kasneje so sinhronizatorje že uporabljali Mercedes, Mathis, Maybach in Horch, nato pa še drugi Vauxhall, Ford in Rolls-Royce. Ena podrobnost - vse so imele nesinhronizirano prvo prestavo, kar je voznike močno motilo in zahtevalo posebno znanje. Prvi popolnoma sinhroniziran menjalnik je oktobra 1933 uporabil angleški Alvis Speed ​​Twenty, ustvarilo pa ga je znano nemško podjetje, ki še vedno nosi ime "Gear Factory" ZF, kar bomo v naši zgodbi pogosto omenjali. Šele sredi tridesetih let prejšnjega stoletja so sinhronizatorje začeli nameščati na druge blagovne znamke, vendar so se v cenejših avtomobilih in tovornjakih vozniki še naprej borili s prestavno ročico za premikanje in prestavljanje. Pravzaprav so rešitev problema tovrstnih nevšečnosti iskali že veliko prej s pomočjo različnih transmisijskih struktur, ki so bile usmerjene tudi k stalnemu zaskočevanju zobniških dvojic in njihovemu povezovanju z gredjo – v obdobju od 1899 do 1910 je De Dion Bouton je razvil zanimiv menjalnik, pri katerem so zobniki stalno zapleteni, njihova povezava s sekundarno gredjo pa je izvedena z majhnimi sklopkami. Panhard-Levasseur je imel podoben razvoj, vendar so bili v svojem razvoju trajno vklopljeni zobniki trdno povezani z gredjo s pomočjo zatičev. Oblikovalci seveda niso prenehali razmišljati, kako voznikom olajšati in zaščititi avtomobile pred nepotrebnimi poškodbami. Leta 1914 so se inženirji Cadillaca odločili, da lahko izkoristijo moč svojih ogromnih motorjev in avtomobile opremijo z nastavljivim končnim pogonom, ki bi lahko električno prestavil in spremenil prestavno razmerje s 4,04: na 2,5: 1.

Dvajseta in trideseta leta so bila čas neverjetnih izumov, ki so del nenehnega kopičenja znanja skozi leta. Na primer, leta 20 je francosko podjetje Cotal ustvarilo elektromagnetno prestavljen ročni menjalnik, ki ga je krmilila majhna ročica na volanu, ta pa je bila kombinirana z majhno ročico za prosti tek, nameščeno na tleh. Slednjo lastnost omenjamo, ker omogoča, da ima avto natanko toliko prestav za naprej, kolikor ima štiri prestave za vzvratno vožnjo. Takrat so se za Kotalov izum zanimale prestižne znamke, kot so Delage, Delahaye, Salmson in Voisin. Poleg prej omenjene nenavadne in pozabljene "prednosti" številnih sodobnih prestav s pogonom na zadnja kolesa ima ta neverjetni menjalnik tudi možnost "interakcije" s Fleschelovim samodejnim menjalnikom, ki prestavlja, ko hitrost pade zaradi obremenitve motorja in je v resnici eden prvih poskusov avtomatizacije procesa.

Večina avtomobilov iz 40. in 50. let je imela tri prestave, ker motorji niso razvijali več kot 4000 vrt / min. S povečanjem vrtljajev, navora in krivulj moči tri prestave niso več pokrivale območja vrtljajev. Rezultat je bilo disharmonično gibanje z značilnim "osupljivim" prenosom pri dviganju in pretirano siljenje pri prestavljanju na nižjega. Logična rešitev problema je bil močan prehod na štiristopenjski menjalnik v 60-ih, prvi petstopenjski menjalniki v 70-ih pa so bili pomemben mejnik za proizvajalce, ki so s ponosom opazili prisotnost takega menjalnika skupaj z modelom na avtomobilu. Pred kratkim mi je lastnik klasičnega Opel Commodoreja povedal, da je bil ob nakupu avtomobila v treh prestavah in je v povprečju znašal 3 l / 20 km. Ko je menjalnik zamenjal s štiristopenjskim, je bila poraba 100 l / 15 km, potem ko je končno dobil petstopenjski, pa je slednji padel na 100 litrov.

Danes tako rekoč ni avtomobilov z manj kot pet prestavami, šest hitrosti pa postaja norma v višjih različicah kompaktnih modelov. Šesta ideja je v večini primerov močno zmanjšanje hitrosti pri visokih vrtljajih, v nekaterih primerih pa, ko ni tako dolgo in zmanjšanje hitrosti pri prestavljanju pade. Večstopenjski menjalniki imajo še posebej pozitiven učinek na dizelske motorje, katerih enote imajo visok navor, a bistveno zmanjšano delovno območje zaradi temeljne narave dizelskega motorja.

(slediti)

Besedilo: Georgy Kolev