Skúšobná jazda História automobilových prevodoviek - 1. časť

V sérii článkov vám povieme o histórii prevodoviek pre osobné a nákladné autá – možno ako prikývnutie pri príležitosti 75. výročia vzniku prvej automatickej prevodovky.

1993 Počas testovania pred pretekmi v Silverstone testovací jazdec Williamsu David Coulthard opustil trať na ďalší test na novom Williamse FW 15C. Na mokrom chodníku auto špliecha všade, no aj tak každý počuje zvláštny monotónny zvuk desaťvalcového motora vo vysokých otáčkach. Je zrejmé, že Frank William používa iný druh prenosu. Osvieteným je jasné, že nejde o nič iné ako o bezstupňovú prevodovku navrhnutú tak, aby vyhovovala potrebám motora Formuly 1. Neskôr sa ukázalo, že bola vyvinutá s pomocou všadeprítomných špecialistov Van Doorn. prenosu infekcie. Dve konšpirujúce spoločnosti naliali do tohto projektu za posledné štyri roky obrovské inžinierske a finančné zdroje, aby vytvorili plne funkčný prototyp, ktorý by mohol prepísať pravidlá dynamiky v športovej kráľovnej. Vo videu na YouTube si dnes môžete pozrieť testy tejto modelky a sám Coulthard tvrdí, že sa mu jej práca páči – najmä v kúte, kde netreba strácať čas podraďovaním – o všetko sa stará elektronika. Žiaľ, každý, kto na projekte pracoval, prišiel o plody svojej práce. Zákonodarcovia rýchlo zakázali používanie takýchto preukazov vo Formule, údajne kvôli „nespravodlivej výhode“. Pravidlá sa zmenili a prevodovky CVT alebo CVT s klinovými remeňmi boli históriou len s týmto krátkym vzhľadom. Prípad je uzavretý a Williams by sa mal vrátiť k poloautomatickým prevodovkám, ktoré sú vo Formule 1 stále štandardom a ktoré sa naopak na konci 80. rokov stali revolúciou. Mimochodom, už v roku 1965 sa DAF s prevodovkou Variomatic pokúšal vstúpiť na trať motoristického športu, ale v tom čase bol mechanizmus taký masívny, že aj bez zásahu subjektívnych faktorov bol odsúdený na neúspech. Ale to je už iný príbeh.

Opakovane sme uvádzali príklady toho, koľko inovácií v modernom automobilovom priemysle je výsledkom starých myšlienok zrodených v hlavách mimoriadne nadaných a náročných ľudí. Prevodovky sú kvôli svojej mechanickej povahe jedným z najlepších príkladov toho, ako ich možno implementovať, keď je na to vhodný čas. V dnešnej dobe kombinácia pokročilých materiálov a výrobných procesov a elektronickej verejnej správy vytvorila príležitosť pre neuveriteľne efektívne riešenia vo všetkých formách prenosu. Trend smerom k nižšej spotrebe na jednej strane a špecifiká nových motorov so zmenšenými rozmermi (napríklad potreba rýchlo prekonať turbo dieru) vedú k potrebe vytvoriť automatické prevodovky so širším rozsahom prevodových pomerov a podľa toho aj veľký počet prevodových stupňov. Ich dostupnejšou alternatívou sú CVT pre malé autá, často používané japonskými automobilkami, a automatické manuálne prevodovky, ako napríklad Easytronic. Opel (aj pre malé autá). Mechanizmy paralelných hybridných systémov sú špecifické a v rámci úsilia o zníženie emisií dochádza v prevodovkách k elektrifikácii pohonu.

Motor sa nezaobíde bez prevodovky

Ľudstvo dodnes nevynašlo účinnejší spôsob priameho prenosu mechanickej energie (samozrejme okrem hydraulických mechanizmov a hybridných elektrických systémov) ako spôsoby využívajúce remene, reťaze a prevody. Samozrejme, existuje nespočetné množstvo variácií na túto tému a ich podstatu môžete lepšie pochopiť uvedením najvýznamnejšieho vývoja v tejto oblasti za posledné roky.

Koncept elektronického radenia alebo elektronického nepriameho prepojenia ovládacieho mechanizmu s prevodovkou nie je ani zďaleka posledným výkrikom, pretože v roku 1916 spoločnosť Pullman z Pensylvánie vytvorila prevodovku, ktorá radí prevodové stupne elektricky. S použitím rovnakého princípu fungovania vo vylepšenej podobe bol o dvadsať rokov neskôr nainštalovaný do avantgardného Cord 812 - jedného z najfuturistickejších a najúžasnejších áut nielen v roku 1936, keď vzniklo. Je dosť významné, že túto šnúru možno nájsť na obálke knihy o úspechoch priemyselného dizajnu. Jeho prenos prenáša krútiaci moment z motora na prednú nápravu (!) a radenie je priam filigránové pre vtedajšie znázornenie stĺpika riadenia, ktorým sa aktivujú špeciálne elektrické spínače, ktoré aktivujú zložitý systém elektromagnetických zariadení s vákuovými membránami vrátane ozubených kolies. Toto všetko sa podarilo dizajnérom šnúr úspešne skĺbiť a funguje to skvele nielen v teórii, ale aj v praxi. Nastaviť synchronizáciu medzi radením a ovládaním spojky bola skutočná nočná mora a podľa dobových dôkazov bolo možné poslať mechanika do psychiatrickej liečebne. Cord bol však luxusné auto a jeho majitelia si nemohli dovoliť ležérny prístup mnohých moderných výrobcov k presnosti tohto procesu – v praxi väčšina automatizovaných (často nazývaných robotické alebo poloautomatické) prevodovky radí s charakteristickým oneskorením, a často poryvy.

Nikto netvrdí, že synchronizácia je dnes pri jednoduchších a rozšírenejších manuálnych prevodovkách oveľa jednoduchšia, pretože otázka "Prečo je vôbec potrebné používať takéto zariadenie?" Má zásadný charakter. Dôvod tejto náročnej udalosti, ale tiež otvorenia miliardového obchodného priestoru, spočíva v samotnej povahe spaľovacieho motora. Na rozdiel napríklad od parného stroja, kde sa tlak pary privádzanej do valcov môže pomerne ľahko meniť a jej tlak sa môže meniť pri rozbehu a bežnej prevádzke, alebo od elektromotora, v ktorom je silné hnacie magnetické pole existuje aj pri nulovej rýchlosti.za minútu (v skutočnosti je vtedy najvyššia a vzhľadom na znižovanie účinnosti elektromotorov so zvyšujúcou sa rýchlosťou všetci výrobcovia prevodoviek pre elektromobily v súčasnosti vyvíjajú dvojstupňové možnosti) interný spaľovací motor má charakteristiku, v ktorej sa maximálny výkon dosahuje pri otáčkach blízkych maximu, a maximálny krútiaci moment - v relatívne malom rozsahu otáčok, v ktorých dochádza k najoptimálnejším spaľovacím procesom. Je tiež potrebné poznamenať, že v skutočnom živote sa motor zriedka používa na krivke maximálneho krútiaceho momentu (zodpovedajúcim spôsobom na krivke vývoja maximálneho výkonu). Krútiaci moment v nízkych otáčkach je bohužiaľ minimálny a ak je prevodovka priamo spojená, dokonca aj so spojkou, ktorá sa odpojí a umožní rozbeh, auto nikdy nebude schopné vykonávať činnosti, ako je rozbeh, zrýchlenie a jazda v širokom rozmedzí otáčok. Tu je jednoduchý príklad - ak motor prenáša rýchlosť 1: 1 a rozmer pneumatík je 195/55 R 15 (zatiaľ abstrahujeme od prítomnosti hlavného prevodového stupňa), teoreticky by sa auto malo pohybovať rýchlosťou 320 km. / h pri 3000 otáčkach kľukového hriadeľa za minútu. Autá majú samozrejme priame alebo blízke prevodové stupne a dokonca aj pásové prevody, pri ktorých do úvahy prichádza aj konečný pohon a treba s nimi počítať. Ak však budeme pokračovať v pôvodnej logike uvažovania o jazde bežnou rýchlosťou 60 km / h v meste, motoru bude stačiť iba 560 otáčok za minútu. Samozrejme neexistuje motor, ktorý by bol schopný taký špagát urobiť. Je tu ešte jeden detail - pretože čisto fyzikálne je výkon priamo úmerný krútiacemu momentu a rýchlosti (jeho vzorec možno definovať aj ako rýchlosť x krútiaci moment / určitý koeficient) a zrýchlenie fyzického tela závisí od sily, ktorá naň pôsobí. . , pochopte, v tomto prípade je sila, je logické, že pre rýchlejšiu akceleráciu budete potrebovať vyššie rýchlosti a väčšie zaťaženie (t.j. krútiaci moment). Znie to komplikovane, ale v praxi to znamená nasledovné: každý vodič, aj ten, kto nerozumie ničomu v technike, vie, že na to, aby ste mohli rýchlo predbehnúť auto, musíte zaradiť jeden alebo dokonca dva prevodové stupne nižšie. S prevodovkou tak okamžite poskytuje vyššie otáčky, a teda viac sily na tento účel pri rovnakom stupni tlaku na pedál. To je úlohou tohto zariadenia – s prihliadnutím na vlastnosti spaľovacieho motora, zabezpečiť jeho prevádzku v optimálnom režime. Jazda na prvý prevodový stupeň pri rýchlosti 100 km / h bude dosť nehospodárna a v šiestom, vhodnom pre danú trať, je nemožné dostať sa pod cestu. Nie je náhoda, že hospodárna jazda si vyžaduje skoré radenie rýchlostí a motor bežiaci pri plnom zaťažení (t. J. Jazda mierne pod krivkou maximálneho krútiaceho momentu). Odborníci používajú výraz „nízka špecifická spotreba energie“, ktorý je v rozmedzí stredných otáčok a blíži sa maximálnemu zaťaženiu. Potom sa škrtiaca klapka benzínových motorov otvorí širšie a zníži straty pri čerpaní, zvýši sa tlak vo valcoch a tým sa zlepší kvalita chemických reakcií. Nižšie otáčky znižujú trenie a poskytujú viac času na úplné naplnenie. Pretekárske vozidlá jazdia vždy pri vysokých rýchlostiach a majú veľký počet prevodových stupňov (osem vo Formule 1), čo umožňuje zníženú rýchlosť pri radení a obmedzuje prechod do oblastí s podstatne menším výkonom.

V skutočnosti sa to zaobíde bez klasickej prevodovky, ale ...

Prípad hybridných systémov a najmä hybridných systémov, ako je Toyota Prius. Toto auto nemá prevodovku žiadneho z uvedených typov. Nemá prakticky žiadnu prevodovku! Je to možné, pretože vyššie uvedené nedostatky kompenzuje elektrický systém. Prevodovka je nahradená takzvaným power splitterom, planétovým prevodom, ktorý kombinuje spaľovací motor a dva elektrické stroje. Pre ľudí, ktorí nečítali selektívne vysvetlenie jeho fungovania v knihách o hybridných systémoch a najmä o vytvorení Priusu (posledné sú k dispozícii na online verzii našej stránky ams.bg), povieme iba, že mechanizmus umožňuje časť mechanickej energie spaľovacieho motora, ktorá sa má priamo, mechanicky a čiastočne previesť, premeniť na elektrickú (pomocou jedného stroja ako generátora) a opäť na mechanickú (pomocou iného stroja ako elektromotora) . Genialitou tohto výtvoru od Toyoty (ktorého pôvodným nápadom bola americká spoločnosť TRW zo 60. rokov) je poskytnúť vysoký rozbehový krútiaci moment, vďaka ktorému nie je potrebné zaraďovať veľmi nízke prevodové stupne a umožňuje motoru pracovať v efektívnych režimoch. pri maximálnom zaťažení, simulujúcom najvyšší možný prevodový stupeň, pričom elektrický systém vždy funguje ako nárazník. Pri požiadavke na simuláciu zrýchlenia a podradenia sa otáčky motora zvýšia ovládaním generátora a podľa toho aj jeho otáčkami pomocou sofistikovaného elektronického systému riadenia prúdu. Pri simulácii vysokých prevodov si dokonca dve autá musia vymeniť úlohy, aby obmedzili otáčky motora. V tomto momente systém prejde do režimu „cirkulácie energie“ a jeho účinnosť sa výrazne zníži, čo vysvetľuje ostré zobrazenie spotreby paliva tohto typu hybridných vozidiel pri vysokých rýchlostiach. Táto technológia je teda v praxi kompromisom výhodným pre mestskú premávku, keďže je zrejmé, že absenciu klasickej prevodovky nedokáže úplne kompenzovať elektrická sústava. Na vyriešenie tohto problému používajú inžinieri Hondy jednoduché, ale dômyselné riešenie vo svojom novom sofistikovanom hybridnom hybridnom systéme, aby mohli konkurovať Toyote – jednoducho pridajú šiestu manuálnu prevodovku, ktorá sa zapája namiesto vysokorýchlostného hybridného mechanizmu. To všetko môže byť dostatočne presvedčivé na to, aby sa ukázalo, že je potrebná prevodovka. Samozrejme pokiaľ možno s veľkým počtom prevodových stupňov - faktom je, že pri manuálnom ovládaní jednoducho nebude pre vodiča pohodlné mať veľký počet a cena sa zvýši. V súčasnosti sú 7-stupňové manuálne prevodovky, ako napríklad prevodovky Porsche (založené na DSG) a Chevrolet Corvette, pomerne zriedkavé.

Všetko sa začína reťazami a pásmi

Rôzne podmienky teda vyžadujú určité hodnoty požadovaného výkonu v závislosti od otáčok a krútiaceho momentu. A v tejto rovnici je popri modernej technológii motorov čoraz dôležitejšia potreba efektívnej činnosti motora a zníženej spotreby paliva.

Prirodzene, prvým problémom je štartovanie - v prvých osobných automobiloch bola najbežnejšou formou prevodovky reťazový pohon, požičaný z bicykla, alebo remeňový pohon pôsobiaci na remenice rôznych priemerov. V praxi sa v remeňovom pohone nekonalo žiadne nepríjemné prekvapenie. Nielenže bol hlučný ako jeho reťazoví partneri, ale nedokázal si vylámať zuby, čo bolo známe z primitívnych prevodových mechanizmov, ktoré vtedajší vodiči označovali ako „prevodový šalát“. Od prelomu storočia sa experimentuje s takzvaným „pohonom trecích kolies“, ktorý nemá spojku ani prevody a vo svojich toroidných prevodovkách používa Nissan a Mazda (o čom bude reč neskôr). Alternatívy k ozubeným kolesám však mali aj niekoľko vážnych nedostatkov - remene nevydržali dlhodobé zaťaženie a zvyšujúce sa rýchlosti, rýchlo sa uvoľnili a roztrhli a "podložky" trecích kolies podliehali príliš rýchlemu opotrebovaniu. V každom prípade, krátko po úsvite automobilového priemyslu sa prevody stali nevyhnutnými a zostali v tejto fáze jedinou možnosťou na prenos krútiaceho momentu na pomerne dlhú dobu.

Zrod mechanického prevodu

Leonardo da Vinci pre svoje mechanizmy navrhol a vyrobil ozubené kolesá, ale výroba silných, primerane presných a trvanlivých ozubených kolies bola možná až v roku 1880 vďaka dostupnosti vhodných metalurgických technológií na výrobu vysokokvalitných ocelí a kovoobrábacích strojov. relatívne vysoká presnosť práce. Straty trením v prevodových stupňoch sa znižujú iba na 2 percentá! To bol okamih, keď sa stali nepostrádateľnými ako súčasť prevodovky, ale problém zostal v ich zjednotení a umiestnení do všeobecného mechanizmu. Príkladom inovatívneho riešenia je Daimler Phoenix z roku 1897, v ktorom boli „zostavené“ ozubené kolesá rôznych veľkostí do skutočnej, podľa dnešného chápania, prevodovky, ktorá má okrem štyroch rýchlostí aj spiatočku. O dva roky neskôr sa Packard stal prvou spoločnosťou, ktorá používala známe umiestnenie radiacej páky na koncoch písmena „H“. V nasledujúcich desaťročiach prevodové stupne už neexistovali, ale mechanizmy sa v mene jednoduchšej práce naďalej zdokonaľovali. Carl Benz, ktorý vybavil svoje prvé sériové autá planétovou prevodovkou, dokázal prežiť vzhľad prvých synchronizovaných prevodoviek, ktoré vytvorili Cadillac a La Salle v roku 1929. O dva roky neskôr synchronizátory už používali Mercedes, Mathis, Maybach a Horch a potom ďalší Vauxhall, Ford a Rolls-Royce. Jeden detail – všetky mali nesynchronizovaný prvý prevodový stupeň, čo vodičov značne otravovalo a vyžadovalo si špeciálne zručnosti. Prvú plne synchronizovanú prevodovku používala anglická Alvis Speed ​​Twenty v októbri 1933 a vytvorila ju slávna nemecká spoločnosť, ktorá dodnes nesie názov „Gear Factory“ ZF, na ktorý sa v našom príbehu budeme často odvolávať. Až v polovici 30. rokov minulého storočia sa synchronizátory začali inštalovať na iné značky, ale v lacnejších osobných a nákladných automobiloch vodiči naďalej bojovali s radiacou pákou pri radení a preraďovaní. V skutočnosti sa riešenie problému tohto druhu nepohodlia hľadalo oveľa skôr pomocou rôznych prevodových štruktúr, ktorých cieľom bolo aj neustále zaberanie párov ozubených kolies a ich pripojenie k hriadeľu - v období od roku 1899 do roku 1910 De Dion Bouton vyvinul zaujímavú prevodovku, v ktorej sú ozubené kolesá neustále v zábere a ich spojenie so sekundárnym hriadeľom sa vykonáva pomocou malých spojok. Panhard-Levasseur mal podobný vývoj, ale pri ich vývoji boli trvalo zapojené prevody pevne spojené s hriadeľom pomocou čapov. Dizajnéri samozrejme neprestali premýšľať o tom, ako to vodičom uľahčiť a ochrániť autá pred zbytočným poškodením. V roku 1914 sa inžinieri Cadillacu rozhodli, že môžu využiť silu svojich obrovských motorov a vybaviť autá nastaviteľným koncovým pohonom, ktorý dokáže elektricky radiť a meniť prevodový pomer z 4,04: na 2,5: 1.

20. a 30. roky boli časom neuveriteľných vynálezov, ktoré sú súčasťou neustáleho hromadenia vedomostí v priebehu rokov. Napríklad v roku 1931 francúzska spoločnosť Cotal vytvorila elektromagneticky radenú manuálnu prevodovku ovládanú malou páčkou na volante, ktorá bola zasa kombinovaná s malou voľnobežnou páčkou umiestnenou na podlahe. Poslednú funkciu spomíname, pretože umožňuje vozidlu mať presne toľko prevodových stupňov vpred, ako sú štyri spätné stupne. O Kotalov vynález sa vtedy zaujímali prestížne značky ako Delage, Delahaye, Salmson či Voisin. Okrem spomínanej bizarnej a zabudnutej „výhody“ mnohých moderných prevodov s pohonom zadných kolies má táto neuveriteľná prevodovka aj schopnosť „interakcie“ s automatickou prevodovkou Fleschel, ktorá radí prevodové stupne pri poklese rýchlosti v dôsledku zaťaženia motora a v skutočnosti je jeden z prvých pokusov o automatizáciu procesu.

Väčšina automobilov zo 40. a 50. rokov mala tri prevodové stupne, pretože motory nevyvíjali viac ako 4000 60 ot./min. S nárastom otáčok, krútiaceho momentu a výkonových kriviek už tieto tri stupne nezakrývali rozsah otáčok. Výsledkom bol disharmonický pohyb s charakteristickým „ohromujúcim“ prevodom pri zdvíhaní a nadmerným nútením pri radení na nižší. Logickým riešením problému bol masívny prechod na štvorstupňové prevody v 70. rokoch a prvé päťstupňové prevodovky v 3. rokoch boli významným míľnikom pre výrobcov, ktorí si prítomnosť takejto prevodovky hrdo všimli spolu s obrazom modelu na automobile. Nedávno mi majiteľ klasického Opelu Commodore povedal, že keď kupoval auto, malo 20 rýchlostné stupne a bolo v priemere 100 l / 15 km. Keď preradil prevodovku na štvorstupňovú, spotreba bola 100 l / 10 km a potom, čo konečne dostal päťstupňovú, táto klesla na XNUMX litrov.

Dnes už prakticky neexistujú autá s menej ako piatimi stupňami a šesť rýchlostí sa stáva vo vyšších verziách kompaktných modelov štandardom. Šiestym nápadom je vo väčšine prípadov silné zníženie rýchlosti pri vysokých otáčkach a v niektorých prípadoch, keď to nie je také dlhé a zníženie rýchlosti pri radení klesá. Viacstupňové prevodovky majú obzvlášť pozitívny vplyv na naftové motory, ktorých jednotky majú vysoký krútiaci moment, ale výrazne obmedzený prevádzkový rozsah kvôli základnej povahe naftového motora.

(nasledovať)

Text: Georgy Kolev