Probna vožnja Istorija automobilskih mjenjača - 1. dio

U nizu članaka ispričat ćemo vam povijest mjenjača za automobile i kamione – možda kao povod povodom 75. godišnjice stvaranja prvog automatskog mjenjača.

1993. Tokom testiranja prije trke u Silverstoneu, Williamsov test vozač David Coulthard napustio je stazu za sljedeći test u novom Williams FW 15C. Na mokrom trotoaru auto prska posvuda, ali i dalje svi mogu čuti čudan monotoni zvuk velike brzine motora od deset cilindara. Očigledno, Frank William koristi drugačiju vrstu prijenosa. Prosvijećenima je jasno da se radi o kontinualno varijabilnom mjenjaču dizajniranom da zadovolji potrebe motora Formule 1. Kasnije se ispostavilo da je razvijen uz pomoć sveprisutnih Van Doorn stručnjaka. prijenos infekcije. Dvije zavjereničke kompanije uložile su ogromna inženjerska i finansijska sredstva u ovaj projekat u protekle četiri godine kako bi stvorile potpuno funkcionalan prototip koji bi mogao prepisati pravila dinamike u sportskoj kraljici. U današnjem YouTube videu možete pogledati testove ovog modela, a i sam Coulthard tvrdi da mu se sviđa njen rad – posebno u uglu, gdje nema potrebe gubiti vrijeme na nižu brzinu – za sve se brine elektronika. Nažalost, svi koji su radili na projektu izgubili su plodove svog rada. Zakonodavci su brzo zabranili korištenje takvih propusnica u Formuli, navodno zbog "nepoštene prednosti". Pravila su promenjena i CVT ili CVT menjači su bili istorija samo sa ovim kratkim pojavljivanjem. Slučaj je zatvoren i Williams bi se trebao vratiti poluautomatskim mjenjačima, koji su još uvijek standardni u Formuli 1 i koji su, zauzvrat, postali revolucija kasnih 80-ih. Inače, davne 1965. godine DAF sa Variomatic mjenjačem pokušavao je ući na moto-sport stazu, ali je u to vrijeme mehanizam bio toliko masivan da je i bez intervencije subjektivnih faktora bio osuđen na neuspjeh. Ali to je druga priča.

Više puta smo naveli primjere koliko je inovacija u modernoj automobilskoj industriji rezultat starih ideja rođenih u glavama izuzetno nadarenih i pronicljivih ljudi. Zbog svoje mehaničke prirode, mjenjači su jedan od najboljih primjera kako se mogu implementirati kada za to dođe vrijeme. Danas je kombinacija naprednih materijala i proizvodnih procesa i e-uprave stvorila priliku za nevjerojatno učinkovita rješenja u svim oblicima prijenosa. Trend smanjene potrošnje s jedne strane i specifičnost novih motora smanjenih dimenzija (na primjer, potreba za brzim prevladavanjem turbo rupe) doveli su do potrebe za stvaranjem automatskih mjenjača sa širim rasponom prijenosnih omjera i, shodno tome, veliki broj zupčanika. Njihove pristupačnije alternative su CVT za male automobile, koje često koriste japanski proizvođači automobila, i automatski ručni mjenjači, poput Easytronica. Opel (takođe za male automobile). Mehanizmi paralelnih hibridnih sistema su specifični, a kao dio napora za smanjenje emisije, elektrifikacija pogona se zapravo događa u prijenosima.

Motor ne može bez mjenjača

Do danas čovječanstvo nije izumilo efikasniji način direktnog prijenosa mehaničke energije (osim, naravno, hidrauličnih mehanizama i hibridnih električnih sistema) od metoda koje koriste kaiševe, lance i zupčanike. Naravno, postoji bezbroj varijacija na ovu temu, a vi možete bolje razumjeti njihovu suštinu navodeći najistaknutija dostignuća na ovom području u posljednjih nekoliko godina.

Koncept elektronskog mijenjanja brzina, odnosno elektronskog indirektnog povezivanja kontrolnog mehanizma sa mjenjačem, daleko je od posljednjeg vapaja, jer je 1916. godine Pullman kompanija iz Pennsylvanije stvorila mjenjač koji mijenja brzine na električni pogon. Koristeći isti princip rada u poboljšanom obliku, dvadeset godina kasnije ugrađen je u avangardni Cord 812 - jedan od najfuturističkijih i najdivnijih automobila ne samo 1936. godine, kada je nastao. Dovoljno je značajno da se ovaj gajtan može naći na koricama knjige o dostignućima industrijskog dizajna. Njegov prenos prenosi obrtni moment sa motora na prednju osovinu (!), a menjač je direktan filigranski za tadašnji prikaz stuba upravljača, koji aktivira posebne električne prekidače koji aktiviraju složen sistem elektromagnetnih uređaja sa vakuum membranama, uključujući i zupčanike. Dizajneri kablova uspjeli su sve ovo uspješno iskombinirati, a odlično funkcionira ne samo u teoriji, već iu praksi. Bila je prava noćna mora podesiti sinhronizaciju između menjanja brzina i rada kvačila, a prema dokazima tog vremena, bilo je moguće poslati mehaničara u psihijatrijsku bolnicu. Međutim, Cord je bio luksuzan automobil, a njegovi vlasnici nisu mogli priuštiti ležeran stav mnogih modernih proizvođača prema preciznosti ovog procesa - u praksi se većina automatiziranih (često nazivanih robotskim ili poluautomatskim) mjenjača mijenja s karakterističnim zakašnjenjem, i često na udare.

Niko ne tvrdi da je sinhronizacija mnogo lakši zadatak sa danas jednostavnijim i raširenijim ručnim menjačima, jer se postavlja pitanje "Zašto je uopšte potrebno koristiti takav uređaj?" Ima fundamentalni karakter. Razlog ovog složenog događaja, ali i otvaranja poslovne niše za milijarde, leži u samoj prirodi motora sa unutrašnjim izgaranjem. Za razliku od, na primer, parne mašine, gde se pritisak pare koja se dovodi u cilindre može relativno lako promeniti, a njen pritisak se može menjati tokom pokretanja i normalnog rada, ili od elektromotora, u kome je snažno pogonsko magnetsko polje postoji i pri nultoj brzini u minuti (zapravo, tada je najveća, a zbog smanjenja efikasnosti elektromotora sa povećanjem brzine, svi proizvođači mjenjača za električna vozila trenutno razvijaju dvostepene opcije) interni motor sa unutrašnjim sagorevanjem ima karakteristiku u kojoj se maksimalna snaga postiže pri brzinama blizu maksimalnih, a maksimalni obrtni moment - u relativno malom opsegu brzina, u kojima se odvijaju najoptimalniji procesi sagorevanja. Takođe treba napomenuti da se motor u stvarnom životu rijetko koristi na krivulji maksimalnog obrtnog momenta (odnosno na krivulji razvoja maksimalne snage). Nažalost, obrtni momenat pri malim okretajima je minimalan, a ako je mjenjač direktno povezan, čak i sa spojkom koja se isključuje i omogućava pokretanje, automobil nikada neće moći obavljati aktivnosti poput pokretanja, ubrzavanja i vožnje u širokom rasponu brzina. Evo jednostavnog primjera - ako motor prenosi svoju brzinu 1:1, a veličina gume je 195/55 R 15 (za sada, apstrahirajući od prisustva glavne brzine), teoretski bi se automobil trebao kretati brzinom od 320 km. / h pri 3000 okretaja radilice u minuti. Naravno, automobili imaju izravan ili zatvoren zupčanik, pa čak i zupčanici gusjeničari, u kojem slučaju konačni pogon također dolazi u jednadžbu i mora se uzeti u obzir. Međutim, ako nastavimo izvornu logiku rasuđivanja o vožnji normalnom brzinom od 60 km / h u gradu, motor će trebati samo 560 o / min. Naravno, ne postoji motor sposoban za izradu takvog kanapa. Postoji još jedan detalj - jer je, čisto fizički, snaga direktno proporcionalna momentu i brzini (njena formula se može definisati i kao brzina x obrtni moment / određeni koeficijent), a ubrzanje fizičkog tela zavisi od sile koja se na njega primenjuje. . , shvatite, u ovom slučaju snaga, logično je da će vam za brže ubrzanje trebati veće brzine i veće opterećenje (tj. obrtni moment). Zvuči složeno, ali u praksi to znači sljedeće: svaki vozač, čak i onaj koji se ništa ne razumije u tehnologiju, zna da za brzo preticanje automobila trebate prebaciti jedan ili čak dva stupnja prijenosa niže. Tako s prijenosnikom trenutno postiže veće okretaje, a samim tim i veću snagu u tu svrhu s istim stupnjem pritiska papučice. To je zadatak ovog uređaja - uzimajući u obzir karakteristike motora s unutarnjim sagorijevanjem, osigurati njegov rad u optimalnom režimu. Vožnja u prvoj brzini brzinom od 100 km / h bit će prilično neekonomična, a u šestoj, prikladnoj za stazu, nemoguće je krenuti. Nije slučajno da ekonomična vožnja zahtijeva rano mijenjanje brzina i motor koji radi pri punom opterećenju (tj. Vožnja malo ispod krivulje maksimalnog obrtnog momenta). Stručnjaci koriste izraz "niska specifična potrošnja energije", koji je u srednjem opsegu okretaja i blizu maksimalnog opterećenja. Tada se prigušni ventil benzinskih motora otvara šire i smanjuje gubitak pumpanja, povećava pritisak u cilindru i time poboljšava kvalitet hemijskih reakcija. Sporije brzine smanjuju trenje i omogućavaju više vremena da se potpuno napuni. Trkaći automobili uvijek rade velikom brzinom i imaju veliki broj brzina (osam u Formuli 1), što omogućava smanjenu brzinu prilikom prebacivanja i ograničava prijelaz na područja sa znatno manjom snagom.

Zapravo može i bez klasičnog mjenjača, ali ...

Slučaj hibridnih sistema, a posebno hibridnih sistema kao što je Toyota Prius. Ovaj automobil nema menjač nijednog od navedenih tipova. Praktično nema menjač! To je moguće jer su gore navedeni nedostaci nadoknađeni električnim sistemom. Menjač je zamenjen takozvanim razdelnikom snage, planetarnim zupčanikom koji kombinuje motor sa unutrašnjim sagorevanjem i dve električne mašine. Za ljude koji nisu pročitali selektivno objašnjenje njegovog rada u knjigama o hibridnim sistemima i posebno o stvaranju Priusa (ovi drugi su dostupni na online verziji našeg sajta ams.bg), reći ćemo samo da mehanizam omogućava dio mehaničke energije motora sa unutrašnjim sagorijevanjem prenosi se direktno, mehanički i djelomično, pretvara u električnu (uz pomoć jedne mašine kao generatora) i opet u mehaničku (uz pomoć druge mašine kao elektromotora) . Genijalnost ove kreacije Toyote (čija je prvobitna ideja bila američka kompanija TRW iz 60-ih) je da obezbedi visok startni moment, čime se izbegava potreba za veoma niskim brzinama i omogućava motoru da radi u efikasnim režimima. pri maksimalnom opterećenju, simulirajući najveću moguću brzinu, sa električnim sistemom koji uvijek djeluje kao tampon. Kada je potrebna simulacija ubrzanja i niže brzine, brzina motora se povećava kontrolom generatora i, shodno tome, njegovom brzinom pomoću sofisticiranog elektronskog sistema za kontrolu struje. Kada se simuliraju visoke brzine, čak dva automobila moraju zamijeniti uloge kako bi ograničili brzinu motora. U ovom trenutku sistem ulazi u režim "cirkulacije snage" i njegova efikasnost je značajno smanjena, što objašnjava oštar prikaz potrošnje goriva ovog tipa hibridnih vozila pri velikim brzinama. Dakle, ova tehnologija je u praksi kompromis pogodan za gradski saobraćaj, jer je očigledno da električni sistem ne može u potpunosti da nadoknadi odsustvo klasičnog menjača. Da bi riješili ovaj problem, Hondini inženjeri koriste jednostavno, ali genijalno rješenje u svom novom sofisticiranom hibridnom hibridnom sistemu kako bi se takmičili s Toyotom - jednostavno dodaju šesti ručni mjenjač koji se uključuje umjesto hibridnog mehanizma velike brzine. Sve ovo može biti dovoljno uvjerljivo da pokaže potrebu za mjenjačem. Naravno, ako je moguće sa velikim brojem brzina - činjenica je da uz ručnu kontrolu jednostavno neće biti ugodno da vozač ima veliki broj, a cijena će porasti. Trenutno su 7-brzinski ručni mjenjači poput onih koji se nalaze u Porscheu (bazirani na DSG) i Chevrolet Corvette prilično rijetki.

Sve započinje lancima i remenima

Dakle, različiti uvjeti zahtijevaju određene vrijednosti potrebne snage, ovisno o brzini i obrtnom momentu. I u ovoj jednadžbi, potreba za efikasnim radom motora i smanjenom potrošnjom goriva, pored moderne tehnologije motora, mjenjač postaje sve važniji izazov.

Naravno, prvi problem koji se javlja je pokretanje - kod prvih putničkih automobila najčešći oblik mjenjača bio je lančani pogon, posuđen od bicikla, ili remenski pogon koji djeluje na remenice različitih promjera. U praksi nije bilo neprijatnih iznenađenja u remenskom pogonu. Ne samo da je bio bučan kao i njegovi partneri u lancu, već nije mogao ni da slomi zube, što je bilo poznato po primitivnim zupčanicima koje su vozači u to vrijeme nazivali "salatom za prijenos". Od prijelaza stoljeća provode se eksperimenti sa takozvanim „frikcionim pogonom na kotače“, koji nema kvačilo ili zupčanike, a koristi Nissan i Mazdu u svojim toroidnim mjenjačima (o čemu će biti riječi kasnije). Međutim, alternative zupčanicima imale su i niz ozbiljnih nedostataka - kaiševi nisu mogli izdržati dugotrajna opterećenja i povećanje brzine, brzo su se olabavili i potrgali, a "jastučići" frikcionih kotača bili su podvrgnuti prebrzom trošenju. U svakom slučaju, ubrzo nakon početka automobilske industrije, zupčanici su postali neophodni i ostali jedina opcija u ovoj fazi za prijenos obrtnog momenta u prilično dugom vremenskom periodu.

Rođenje mehaničkog prijenosa

Leonardo da Vinci dizajnirao je i proizveo zupčanike za svoje mehanizme, ali proizvodnja snažnih, razumno preciznih i izdržljivih zupčanika postala je moguća tek 1880. godine zahvaljujući dostupnosti odgovarajućih metalurških tehnologija za stvaranje visokokvalitetnih čelika i strojeva za obradu metala. relativno visoka preciznost rada. Gubitak trenja u zupčanicima smanjen je na samo 2 posto! To je bio trenutak kada su postali neophodni kao dio mjenjača, ali je problem ostao s njihovim ujedinjenjem i postavljanjem u opći mehanizam. Primjer inovativnog rješenja je Daimler Phoenix iz 1897. godine, u kojem su zupčanici različitih veličina "sastavljeni" u pravi, prema današnjem shvaćanju, mjenjač, ​​koji osim četiri brzine ima i brzinu za vožnju unatrag. Dvije godine kasnije, Packard je postala prva kompanija koja je koristila dobro poznato pozicioniranje ručice mjenjača na krajevima slova "H". U sljedećim decenijama zupčanika više nije bilo, ali su se mehanizmi nastavili poboljšavati u ime lakšeg rada. Carl Benz, koji je svoje prve serijske automobile opremio planetarnim mjenjačem, uspio je preživjeti pojavu prvih sinkroniziranih mjenjača koje su stvorili Cadillac i La Salle 1929. Dve godine kasnije, sinhronizatore su već koristili Mercedes, Mathis, Maybach i Horch, a zatim i drugi Vauxhall, Ford i Rolls-Royce. Jedan detalj - svi su imali nesinhronizovanu prvu brzinu, što je jako smetalo vozačima i zahtevalo posebne veštine. Prvi potpuno sinhronizovani mjenjač koristio je engleski Alvis Speed ​​Twenty u oktobru 1933. godine, a stvorila ga je poznata njemačka kompanija, koja i danas nosi naziv "Gear Factory" ZF, na koji ćemo se često pozivati ​​u našoj priči. Tek sredinom 30-ih sinhronizatori su se počeli instalirati na druge marke, ali u jeftinijim automobilima i kamionima vozači su nastavili da se bore sa ručicom mjenjača za prebacivanje i mijenjanje brzina. Naime, rješenje problema ove vrste neugodnosti tražilo se mnogo ranije uz pomoć raznih prijenosnih konstrukcija, također usmjerenih na stalno spajanje zupčastih parova i njihovo spajanje na osovinu - u periodu od 1899. do 1910. godine, De Dion Bouton razvio je zanimljiv prijenos u kojem su zupčanici stalno spojeni, a njihovo povezivanje sa sekundarnom osovinom se vrši pomoću malih spojnica. Panhard-Levasseur je imao sličan razvoj, ali su u svom razvoju trajno aktivirani zupčanici bili čvrsto povezani s vratilom pomoću igala. Dizajneri, naravno, nisu prestali razmišljati o tome kako olakšati vozačima i zaštititi automobile od nepotrebnih oštećenja. Inženjeri iz Cadillaca 1914. odlučili su da mogu iskoristiti snagu svojih ogromnih motora i opremiti automobile podesivim zadnjim pogonom koji bi mogao električno prebaciti i promijeniti omjer prijenosa sa 4,04: na 2,5: 1.

Dvadesete i tridesete bile su vrijeme nevjerovatnih izuma koji su dio konstantnog gomilanja znanja tokom godina. Na primjer, 20. godine francuska kompanija Cotal stvorila je elektromagnetski pomaknuti ručni mjenjač kojim je upravljala mala poluga na volanu, koja je, zauzvrat, bila u kombinaciji s malom polugom u praznom hodu postavljenom na podu. Posljednju karakteristiku spominjemo jer omogućava automobilu da ima tačno onoliko brzina za naprijed koliko ima četiri brzine unazad. U to vrijeme za Kotalov izum bili su zainteresirani prestižni brendovi kao što su Delage, Delahaye, Salmson i Voisin. Pored gore spomenute bizarne i zaboravljene "prednosti" mnogih modernih zupčanika sa pogonom na stražnje kotače, ovaj nevjerovatni mjenjač također ima mogućnost "interakcije" sa Fleschel automatskim mjenjačem koji mijenja brzine kako brzina pada zbog opterećenja motora i zapravo je jedan od prvih pokušaja automatizacije procesa.

Većina automobila iz 40-ih i 50-ih imala je tri brzine jer motori nisu razvijali više od 4000 okretaja u minuti. Sa porastom okretaja, obrtnog momenta i krivulja snage, tri stepena prenosa više nisu pokrivala opseg okretaja. Rezultat je bio disharmoničan pokret s karakterističnim "zapanjujućim" prijenosom pri podizanju i prekomjerno forsiranje pri prebacivanju na niži. Logično rješenje problema bilo je masovno prebacivanje na četverobrzinske brzine 60-ih, a prvi mjenjači s pet brzina 70-ih godina bili su značajna prekretnica za proizvođače, koji su s ponosom primijetili prisustvo takvog mjenjača zajedno s modelom na automobilu. Nedavno mi je vlasnik klasičnog Opel Commodorea rekao da je, kada je kupio automobil, bio u 3 brzine i prosječno je iznosio 20 l / 100 km. Kada je mjenjač promijenio u mjenjač s četiri brzine, potrošnja je bila 15 l / 100 km, a nakon što je konačno dobio petostepeni, ovaj je pao na 10 litara.

Danas praktički nema automobila s manje od pet brzina, a šest brzina postaje norma u višim verzijama kompaktnih modela. Šesta ideja u većini slučajeva je snažno smanjenje brzine pri velikim okretajima, a u nekim slučajevima i kada nije tako dugo i smanjenje brzine opada pri prebacivanju. Višestepeni mjenjači imaju posebno pozitivan učinak na dizel motore, čiji agregati imaju veliki obrtni moment, ali značajno smanjen radni opseg zbog osnovne prirode dizel motora.

(pratiti)

Tekst: Georgy Kolev