Тест драйв Історія автомобільних трансмісій – Частина 1

У серії матеріалів ми розповімо вам про історію коробок передач для легкових та вантажних автомобілів – можливо, як реверанс з нагоди 75-річчя від дня створення першої автоматичної трансмісії.

1993 Під час тестів перед гонкою в Сільверстоуні тест-пілот Williams Девід Култхард залишив трасу для наступних тестів на новому Williams FW 15C. На мокрому асфальті машина розбризкує всюди бризки, але все ж таки кожен може почути дивний монотонний швидкісний звук десятициліндрового двигуна. Очевидно, Френк Вільям використовує інший вид передачі. Всім освіченим ясно, що це не що інше, як безступінчаста трансмісія, розроблена для задоволення потреб двигуна Формули 1. Пізніше з'ясувалося, що вона була розроблена за участю фахівців Van Doorn. Передача інфекції. Дві компанії-змовники вклали у цей проект величезний інженерний та фінансовий потенціал за останні чотири роки, щоб створити повністю функціональний прототип, який може переписати правила динаміки у королеві спорту. У відео на YouTube сьогодні ви можете побачити тести цієї моделі, і сам Култхард стверджує, що йому подобається її робота – особливо у кутку, де немає необхідності витрачати час на перемикання на знижену передачу – про все подбали електроніка. На жаль, усі, хто працював над проектом, втратили плоди своєї праці. Законодавці поспішили заборонити використання таких передач у Формулі, ймовірно, через «несправедливу перевагу». Правила були змінені, і варіатор з клиновим ременем або CVT трансмісії залишилися в історії тільки з цим коротким проявом. Справа закрита, і Williams має повернутися до напівавтоматичних трансмісій, які досі є стандартними у Формулі 1 і які, своєю чергою, стали революцією наприкінці 80-х. До речі, ще в 1965 році DAF з трансмісією Variomatic намагався вийти на трек автоспорту, але на той момент механізм був настільки масивним, що навіть без втручання суб'єктивних факторів був приречений на провал. Але то вже інша історія.

Ми неодноразово наводили приклади того, скільки інновацій в сучасному автомобілебудуванні є результатом старих ідей, народжених в головах надзвичайно обдарованих і проникливих людей. Через свою механічної природи коробки передач є одним з найяскравіших прикладів того, як вони можуть бути реалізовані, коли прийде час. В даний час поєднання передових матеріалів та виробничих процесів і електронного уряду створило можливість для неймовірно ефективних рішень у всіх формах передачі. Тенденція до зниження витрати з одного боку і специфіка нових двигунів зі зменшеними габаритами (наприклад, необхідність швидкого подолання турбо-діри) призводять до необхідності створення автоматичних трансмісій з більш широким діапазоном передавальних чисел і, відповідно, великою кількістю передач. Їх більш доступними альтернативами є безступінчаті трансмісії для невеликих автомобілів, часто використовувані японськими автовиробниками, і автоматичні механічні трансмісії, такі як Easytronic. Opel (також для невеликих автомобілів). Механізми паралельних гібридних систем специфічні, і в рамках зусиль по зниженню викидів електрифікація приводу фактично відбувається в трансмісіях.

Двигун не може обійтися без коробки передач

На сьогоднішній день людство не винайшло більш ефективного способу прямої передачі механічної енергії (за винятком, звичайно, гідравлічних механізмів і гібридних електричних систем), ніж способи з використанням ременів, ланцюгів і шестерень. Звичайно, варіацій на цю тему безліч, і краще зрозуміти їх суть можна, перерахувавши найбільш видатні розробки в цій галузі за останні роки.

Концепція електронного перемикання передач або електронного непрямого з'єднання механізму керування з коробкою передач - далеко не останній крик, тому що в 1916 році компанія Pullman зі штату Пенсільванія створила коробку передач, що перемикає електропередачі. Використовуючи той же принцип роботи в удосконаленому вигляді, через двадцять років він був встановлений в авангардному Cord 812 - одному з найфутуристичніших і чудових автомобілів не тільки в 1936 році, коли він був створений. Досить показовим є той факт, що на обкладинці книги про досягнення промислового дизайну цей шнур можна знайти. Його трансмісія передає крутний момент від двигуна на передню вісь (!), а перемикання передач пряме філігранне для тодішнього представлення рульової колонки, яке активує спеціальні електричні перемикачі, які активують складну систему електромагнітних пристроїв із вакуумними діафрагмами, включаючи шестірні. Дизайнерам Cord вдалося все це вдало поєднати, і це чудово працює не тільки в теорії, а й на практиці. Налаштувати синхронізацію між перемиканням передач та роботою зчеплення – справжній кошмар, і, за свідченнями того часу, можна було відправити механіка до психіатричної лікарні. Однак Cord був розкішним автомобілем, і його власники не могли дозволити собі недбале ставлення багатьох сучасних виробників до точності цього процесу – на практиці більшість автоматизованих (часто званих роботизованими або напівавтоматичними) коробками перемикаються з характерною затримкою, і часто поривами.

Ніхто не стверджує, що синхронізація – набагато простіша задача з більш простими та широко поширеними механічними трансмісіями сьогодні, тому що питання «Чому взагалі необхідно використовувати такий пристрій?» Має фундаментальний характер. Причина цього складного події, але також відкриває ніша для бізнесу для мільярдів, криється в самій природі роботи двигуна внутрішнього згоряння. На відміну, наприклад, від парового двигуна, де тиск пари, що подається в циліндри, може змінюватися відносно легко, і його тиск може змінюватися під час запуску та нормальної роботи, або від електродвигуна, в якому сильне рушійне магнітне поле також існує при нульових оборотах в хвилину (насправді тоді вона найвища, а через зниження ККД електродвигунів при збільшенні швидкості всі виробники трансмісій для електромобілів в даний час розробляють двоступінчасті варіанти) двигун внутрішнього згоряння має характеристику, при якій максимальна потужність досягається при швидкості близькі до максимальних, а максимальний момент, що крутить, - у відносно невеликому діапазоні швидкостей, при якому протікають найбільш оптимальні процеси згоряння. Також слід зазначити, що в реальному житті двигун рідко використовується на кривій максимального крутного моменту (відповідно на кривій розвитку максимальної потужності). На жаль, крутний момент на низьких оборотах мінімальний, і, якщо трансмісія підключена безпосередньо, навіть зі зчепленням, яке відключається і забезпечує зрушення з місця, автомобіль ніколи не зможе виконувати такі дії, як зрушення з місця, прискорення і рух з широким діапазоном швидкість. Ось простий приклад - якщо двигун передає свою швидкість 1: 1, а розмір шин 195/55 R 15 (поки що абстрагуємося від наявності головної передачі), то теоретично автомобіль повинен рухатися зі швидкістю 320 км. / Ч при 3000 оборотах колінчастого вала в хвилину. Звичайно, у автомобілів є прямі або близькі передачі і навіть знижують передачі, і тоді головна передача також входить в рівняння і повинна бути прийнята до уваги. Однак, якщо ми продовжимо вихідну логіку міркувань про рух з нормальною швидкістю 60 км / год по місту, двигуну буде потрібно всього 560 об / хв. Звичайно, немає мотора, здатного зробити такий шпагат. Є ще одна деталь - тому що чисто фізично потужність прямо пропорційна моменту, що крутить, і швидкості (її формула також може бути визначена як швидкість x крутний момент / певний коефіцієнт), а прискорення фізичного тіла залежить від прикладеної до нього сили. , Зрозумійте, в даному випадку потужність, логічно, що для більш швидкого розгону вам будуть потрібні більш високі швидкості і велике навантаження (тобто обертаючий момент). Звучить складно, але на практиці це означає наступне: кожен водій, навіть той, хто нічого не розуміє в техніці, знає, що для того, щоб швидко обігнати машину, потрібно переключити на одну або навіть дві передачі нижче. Таким чином, саме за допомогою коробки передач вона миттєво забезпечує більш високі обороти і, отже, більшу потужність для цієї мети при тій же мірі тиску на педаль. У цьому полягає завдання даного пристрою – з урахуванням характеристик двигуна внутрішнього згоряння забезпечити його роботу оптимальному режимі. Їзда на першій передачі зі швидкістю 100 км / год буде досить неекономічною, а на шостий, підходящої для траси, рушати неможливо. Не випадково, для економічного водіння потрібно раннє перемикання і робота двигуна з максимально можливим навантаженням (тобто рух трохи нижче кривої максимального крутного моменту). Фахівці використовують термін «низьке питоме енергоспоживання», яке знаходиться в середньому діапазоні оборотів і близька до максимальному навантаженні. Тоді дросельна заслінка бензинових двигунів відкривається ширше і знижує насосні втрати, збільшує тиск в циліндрах і тим самим покращує якість хімічних реакцій. Нижчі швидкості зменшують тертя і залишають більше часу для повного заповнення. Гоночні автомобілі завжди працюють на високих швидкостях і мають велику кількість передач (вісім у Формулі 1), що дозволяє знизити швидкість при перемиканні і обмежує перехід в зони зі значно меншою потужністю.

Насправді може обійтися і без класичної коробки передач, але ...

Випадок гібридних систем та, зокрема, комбінованих систем, таких як Toyota Prius. Цей автомобіль не має коробки передач жодного з перерахованих типів. У нього практично немає коробки! Це можливо тому, що вищезгадані недоліки компенсуються за рахунок електричної системи. Трансмісію замінює так званий пристрій поділу потужності, планетарний механізм, який поєднує двигун внутрішнього згоряння та дві електричні машини. Для людей, які не читали вибіркове пояснення його роботи в книгах з гібридних систем і особливо створення Prius (останні доступні в онлайн-версії нашого сайту ams.bg), ми скажемо тільки, що механізм дозволяє частину механічної енергії двигуна внутрішнього згоряння передаватися безпосередньо, механічно і частково, перетворюватися на електричну (за допомогою однієї машини в ролі генератора) і знову на механічну (за допомогою іншої машини в ролі електродвигуна). Геніальність цього творіння Toyota (чия оригінальна ідея – американська компанія TRW з 60-х) – забезпечити високий момент, що крутить, при запуску, що дозволяє уникнути необхідності дуже низьких передач і дозволяє двигуну працювати в ефективних режимах. при максимальному навантаженні, імітуючи максимально можливу передачу, електрична система завжди працює як буфер. Коли потрібна імітація прискорення та зниженої передачі, частота обертання двигуна збільшується за рахунок керування генератором і, відповідно, за рахунок його швидкості за допомогою складної електронної системи керування струмом. При моделюванні високих передач навіть дві машини мають помінятися ролями, щоб обмежити швидкість двигуна. У цей момент система переходить у режим «циркуляції потужності», і її ефективність значно знижується, що пояснює різке відображення витрат палива цього типу гібридних автомобілів на високих швидкостях. Таким чином, ця технологія практично є компромісом, зручним для міського руху, оскільки очевидно, що електрична система не може повністю компенсувати відсутність класичної коробки передач. Для вирішення цієї проблеми інженери Honda використовує просте, але геніальне рішення у своїй новій складній комбінованій гібридній системі, яка має конкурувати з Toyota – вони просто додають шосту механічну коробку передач, яка вмикається замість високошвидкісного гібридного механізму. Все це може бути досить переконливим, щоб показати необхідність коробки. Звичайно, наскільки можна з великою кількістю передач – справа в тому, що з ручним керуванням водієві буде просто не комфортно мати велику кількість, і ціна зросте. На даний момент 7-ступінчасті механічні коробки, такі як у Porsche (на основі DSG) і Chevrolet Корвети зустрічаються досить рідко.

Все починається з ланцюжків і ременів

Отже, різні умови вимагають певних значень необхідної потужності в залежності від швидкості і крутного моменту. І в цьому рівнянні необхідність ефективної роботи двигуна і зниження витрати палива, на додаток до сучасних технологій двигунів, трансмісія стає все більш важливим завданням.

Природно, перша проблема, яка виникає, це запуск - у перших легкових автомобілях найбільш поширеною формою коробки передач була ланцюгова передача, запозичена у велосипеда, або ременна передача, що діє на ремінні шківи різного діаметру. На практиці у ремінній передачі неприємних сюрпризів не обійшлося. Він не тільки був таким же галасливим, як його ланцюгові партнери, але й не міг зламати зуби, що було відомо за примітивними зубчастими механізмами, які водії на той час називали «трансмісійним салатом». З початку століття проводилися експерименти з так званим "фрикційним приводом на колеса", у якого немає ні зчеплення, ні шестерень, і в якому використовуються Nissan і Mazda в їх тороїдальних коробках передач (про які буде сказано пізніше). Однак альтернативи зубчастим колесам також мали низку серйозних недоліків - ремені не витримували тривалих навантажень і зростаючих швидкостей, швидко розхитувалися і рвалися, а "колодки" фрикційних коліс зазнавали занадто швидкого зношування. У будь-якому випадку, незабаром після зародження автомобільної промисловості зубчасті передачі стали необхідні і залишалися єдиним варіантом на даному етапі для передачі моменту, що крутить, протягом досить тривалого періоду часу.

Народження механічної трансмісії

Леонардо да Вінчі спроектував і виготовив зубчасті колеса для своїх механізмів, але виробництво міцних, досить точних і довговічних зубчастих коліс стало можливим тільки в 1880 році завдяки наявності відповідних металургійних технологій для створення високоякісних сталей і металообробних верстатів. відносно висока точність роботи. Втрати на тертя в шестернях скоротилися всього до 2 відсотків! Це був момент, коли вони стали незамінними як елемент коробки передач, але проблема залишалася з їх уніфікацією і розміщенням в загальному механізмі. Прикладом новаторського рішення є Daimler Phoenix 1897 року, в якому шестерні різних розмірів були «зібрані» в справжню, згідно з сьогоднішнім розумінню, коробку передач, яка крім чотирьох швидкостей має ще і передачу заднього ходу. Два роки по тому Packard стала першою компанією, яка використала добре відоме розташування важеля перемикання передач на кінцях букви «H». У наступні десятиліття шестерень більше не стало, але механізми продовжували удосконалюватися в ім'я полегшення роботи. Карла Бенца, озброївшись свої перші серійні автомобілі планетарної коробкою передач, вдалося пережити поява перших коробок передач з синхронізаторами, створених Cadillac і La Salle в 1929 році. Два роки по тому синхронізатори вже використовувалися Mercedes, Матіс, Maybach і Хорьх, а потім ще один Воксхолл, Ford і Роллс-Ройс. Одна деталь – у всіх була несинхронізована перша передача, що сильно дратувало водіїв та потребувало особливих навичок. Перша повністю синхронізована коробка передач використовувалася англійським Alvis Speed ​​Twenty в жовтні 1933 року і була створена відомою німецькою компанією, яка до цих пір носить назву «Gear Factory» ZF, яке ми часто згадуватимемо в нашій розповіді. Лише в середині 30-х років синхронізатори почали встановлюватися на інші марки, але в більш дешевих легкових і вантажних автомобілях водії продовжували боротися з важелем перемикання передач, щоб рухатися і включати ковзаючі передачі. Фактично, вирішення проблеми незручностей такого роду шукали набагато раніше за допомогою різних структур трансмісії, спрямованих також на постійне зачеплення зубчастих пар та їх з'єднання з валом – у період з 1899 по 1910 рік Де Діон Бутон розробив цікаву трансмісію в шестірні якого постійно перебувають у зачепленні, які з'єднання з вторинним валом здійснюється з допомогою невеликих муфт. Компанія Panhard-Levasseur мала аналогічний розвиток, але при їх розробці постійно включені шестерні були міцно з'єднані з валом за допомогою пальців. Конструктори, звичайно ж, не перестали думати про те, як полегшити водіям і захистити автомобілі від зайвих пошкоджень. У 1914 році інженери Cadillac вирішили, що вони можуть використовувати потужність своїх величезних двигунів і оснастити автомобілі регульованою головною передачею, яка могла б перемикатися електрично і дозволяла змінювати передавальне число з 4,04: до 2,5: 1.

20-ті та 30-ті роки були часом неймовірних винаходів, які є частиною постійного накопичення знань упродовж багатьох років. Наприклад, у 1931 році французька компанія Cotal створила механічну коробку передач з електромагнітним перемиканням, керовану невеликим важелем на рульовому колесі, який, у свою чергу, був поєднаний з невеликим, розміщеним на підлозі важелем холостого ходу. Ми згадуємо останню особливість, тому що вона дозволяє автомобілю мати стільки передач переднього ходу, скільки заднє - чотири. На той час винаходом Котала цікавилися такі престижні бренди, як Delage, Delahaye, Salmson та Voisin. На додаток до вищезгаданого химерного і забутого «переваги» багатьох сучасних задньопривідних механізмів, ця неймовірна коробка передач також має здатність «взаємодіяти» з автоматичним перемикачем Fleschel, який перемикає передачі з падінням швидкості через навантаження на двигун і фактично є одним з перших спроб процес.

Більшість автомобілів 40-х і 50-х років мали по три передачі, тому що двигуни не розвивалися більш 4000 об / хв. Зі збільшенням оборотів, крутного моменту і кривих потужності три передачі більше не покривали діапазон оборотів. В результаті вийшло дисгармонійний рух з характерним «оглушением» передачі при підйомі і надмірним форсуванням при перемиканні на нижчу. Логічним вирішенням проблеми став масовий перехід на чотириступінчасту передачу в 60-х роках, а перші п'ятиступінчасті коробки передач в 70-х стали значною подією для виробників, які з гордістю відзначили наявність такої коробки передач поряд із зображенням моделі на автомобілі. Нещодавно власник класичного Opel Commodore розповів мені, що коли він купував машину, вона була на 3-х передачах і в середньому витрачала 20 л / 100 км. Коли він замінив коробку передач на чотириступінчасту, витрата став 15 л / 100 км, а після того, як він нарешті отримав пятиступенчатую, останній знизився до 10 літрів.

Сьогодні практично немає автомобілів з менш ніж п'ятьма передачами, і шість швидкостей стають нормою в більш високих версіях компактних моделей. Ідея шостий в більшості випадків полягає в сильному зниженні швидкості на високих оборотах, а в деяких випадках, коли це не так довго і зниження швидкості падає при перемиканні. Багатоступінчасті трансмісії особливо позитивно впливають на дизельні двигуни, агрегати яких мають високий крутний момент, але значно скорочений робочий діапазон через принципового характеру роботи дизеля.

(прямувати)

Текст: Георгій Колев