Test Drive A historia das transmisións automotrices - Parte 1

Nunha serie de artigos contarémosche a historia das transmisións para automóbiles e camións, quizais como un guiño ao 75 aniversario da creación da primeira transmisión automática.

1993 Durante as probas previas á carreira en Silverstone, o piloto de probas de Williams David Coulthard abandonou a pista para a seguinte proba no novo Williams FW 15C. No pavimento mollado, o coche salpica por todas partes, pero aínda así todo o mundo pode escoitar o estraño son monótono de alta velocidade dun motor de dez cilindros. Obviamente, Frank William usa un tipo de transmisión diferente. Para os ilustrados está claro que esta non é máis que unha transmisión continuamente variable deseñada para satisfacer as necesidades dun motor de Fórmula 1. Máis tarde resultou que foi desenvolvida coa axuda dos omnipresentes especialistas de Van Doorn. transmisión da infección. As dúas empresas conspiradoras vertiron enormes recursos económicos e de enxeñería neste proxecto durante os últimos catro anos para crear un prototipo totalmente funcional que podería reescribir as regras da dinámica da raíña dos deportes. No vídeo de YouTube de hoxe podedes ver as probas deste modelo, e o propio Coulthard asegura que lle gusta o seu traballo -sobre todo no recuncho, onde non hai que perder o tempo baixando de marcha-, encárgase de todo a electrónica. Por desgraza, todos os que traballaron no proxecto perderon os froitos do seu traballo. Os lexisladores non tardaron en prohibir o uso deste tipo de pases na Fórmula, supostamente debido a unha "vantaxe inxusta". As regras foron cambiadas e as transmisións CVT ou CVT con correa en V foron historia con só esta breve aparición. O caso está pechado e Williams debería volver ás transmisións semiautomáticas, que aínda son de serie na Fórmula 1 e que, á súa vez, convertéronse nunha revolución a finais dos 80. Por certo, alá por 1965, DAF coa transmisión Variomatic intentou entrar na pista do motor, pero naquel momento o mecanismo era tan masivo que aínda sen a intervención de factores subxectivos estaba condenado ao fracaso. Pero esa é outra historia.

En varias ocasións citamos exemplos de canto innovación na industria automobilística moderna é o resultado de vellas ideas nacidas na cabeza de persoas extremadamente dotadas e esixentes. Pola súa natureza mecánica, as caixas de cambios son un dos principais exemplos de como se poden implementar cando chega o momento. Hoxe en día, a combinación de materiais avanzados e procesos de fabricación e administración electrónica creou a oportunidade de solucións incriblemente eficaces en todas as formas de transmisión. A tendencia cara a un menor consumo por un lado e as especificidades dos novos motores con dimensións reducidas (por exemplo, a necesidade de superar rapidamente un burato turbo) levan á necesidade de crear transmisións automáticas cunha gama máis ampla de relacións de transmisión e, en consecuencia, un gran número de engrenaxes. As súas alternativas máis asequibles son os CVT para coches pequenos, a miúdo empregados por fabricantes de automóbiles xaponeses, e as transmisións manuais automáticas como Easytronic. Opel (tamén para coches pequenos). Os mecanismos dos sistemas híbridos paralelos son específicos e, como parte dos esforzos de redución de emisións, a electrificación do accionamento prodúcese realmente nas transmisións.

Un motor non pode prescindir dunha caixa de cambios

Ata a data, a humanidade non inventou un xeito máis eficiente de transmisión directa de enerxía mecánica (agás, por suposto, mecanismos hidráulicos e sistemas eléctricos híbridos) que os métodos que empregan cintos, cadeas e engrenaxes. Por suposto, hai innumerables variacións neste tema e podes comprender mellor a súa esencia enumerando os desenvolvementos máis destacados nesta área nos últimos anos.

O concepto de cambio electrónico, ou conexión indirecta electrónica do mecanismo de control á caixa de cambios, está lonxe do último grito, porque en 1916 a empresa Pullman de Pensilvania creou unha caixa de cambios que cambia as marchas eléctricamente. Usando o mesmo principio de funcionamento nunha forma mellorada, vinte anos despois instalouse no vangardista Cord 812, un dos coches máis futuristas e marabillosos non só en 1936, cando foi creado. É o suficientemente significativo que este cordón poida atoparse na portada dun libro sobre os logros do deseño industrial. A súa transmisión transmite o par do motor ao eixe dianteiro (!), e o cambio de marchas é de filigrana directa para a representación da columna de dirección, que activa interruptores eléctricos especiais que activan un complexo sistema de dispositivos electromagnéticos con diafragmas de baleiro, incluíndo engrenaxes. Os deseñadores de cables lograron combinar todo isto con éxito, e funciona moi ben non só na teoría, senón tamén na práctica. Era un auténtico pesadelo establecer a sincronización entre o cambio de marchas e o funcionamento do embrague e, segundo a evidencia da época, era posible enviar un mecánico a un psiquiátrico. Non obstante, o Cord era un coche de luxo e os seus propietarios non podían permitirse a actitude casual de moitos fabricantes modernos ante a precisión deste proceso; na práctica, a maioría das transmisións automatizadas (moitas veces chamadas robóticas ou semiautomáticas) cambian cun atraso característico, e moitas veces refachos.

Ninguén afirma que a sincronización sexa unha tarefa moito máis sinxela coas transmisións manuais máis sinxelas e estendidas hoxe en día, porque a pregunta "Por que é necesario usar tal dispositivo?" Ten un carácter fundamental. A razón deste complexo evento, pero tamén a apertura dun nicho de negocio por miles de millóns, radica na propia natureza do motor de combustión. A diferenza, por exemplo, dunha máquina de vapor, onde a presión do vapor subministrado aos cilindros pode cambiar con relativa facilidade, e a súa presión pode cambiar durante o arranque e o funcionamento normal, ou a partir dun motor eléctrico, no que un forte campo magnético condutor. tamén existe a velocidade cero.por minuto (de feito, entón é a máis alta, e debido á diminución da eficiencia dos motores eléctricos coa velocidade crecente, todos os fabricantes de transmisións para vehículos eléctricos están a desenvolver actualmente opcións de dúas etapas) un interno motor de combustión ten unha característica na que a potencia máxima se consegue a velocidades próximas ao máximo, e o par máximo - nun rango relativamente pequeno de velocidades, no que se producen os procesos de combustión máis óptimos. Tamén hai que ter en conta que na vida real o motor raramente se usa na curva de par máximo (correspondentemente na curva de desenvolvemento de potencia máxima). Por desgraza, o par a baixas revolucións é mínimo e se a transmisión está conectada directamente, incluso cun embrague que se desengancha e permite arrancar, o coche nunca poderá realizar actividades como arrancar, acelerar e conducir a un amplo rango de velocidades. Aquí tes un exemplo sinxelo: se o motor transmite a súa velocidade 1: 1 e o tamaño do pneumático é 195/55 R 15 (por agora, abstraíndose da presenza da engrenaxe principal), entón teoricamente o coche debería moverse a unha velocidade de 320 km. / h a 3000 revolucións do cigüeñal por minuto. Por suposto, os coches teñen marchas directas ou próximas e incluso velocidades de cadea, nese caso o accionamento final tamén entra na ecuación e hai que telo en conta. Non obstante, se continuamos a lóxica orixinal do razoamento sobre a condución a unha velocidade normal de 60 km / h na cidade, o motor só necesitará 560 rpm. Por suposto, non hai ningún motor capaz de facer semellante cordel. Hai un detalle máis: porque, puramente físicamente, a potencia é directamente proporcional ao par e á velocidade (a súa fórmula tamén se pode definir como velocidade x par / un determinado coeficiente), e a aceleración dun corpo físico depende da forza que se lle aplique. . , comprenda, neste caso, a potencia, é lóxico que para unha aceleración máis rápida necesite velocidades máis altas e máis carga (i.e. torque). Parece complicado, pero na práctica isto significa o seguinte: todos os condutores, incluso aqueles que non entenden nada en tecnoloxía, saben que para adiantar un coche rapidamente hai que cambiar unha ou dúas velocidades máis abaixo. Así, é coa caixa de cambios que entrega instantáneamente maiores revolucións e, polo tanto, máis potencia para este propósito coa mesma presión do pedal. Esta é a tarefa deste dispositivo, tendo en conta as características do motor de combustión interna, para garantir o seu funcionamento no modo óptimo. Conducir en primeira velocidade a unha velocidade de 100 km / h será bastante pouco económico e, en sexto, adecuado para a pista, é imposible poñerse en marcha. Non é casualidade que unha condución económica precise cambios de marchas temperáns e que o motor funcione a plena carga (é dicir, conducindo lixeiramente por debaixo da curva de par máximo). Os expertos usan o termo "baixo consumo específico de enerxía", que está no rango medio de revolucións e preto da carga máxima. A continuación, a válvula de aceleración dos motores de gasolina ábrese máis e reduce as perdas de bombeo, aumenta a presión do cilindro e mellora así a calidade das reaccións químicas. As velocidades máis lentas reducen a fricción e permiten máis tempo para encher completamente. Os coches de carreiras sempre funcionan a gran velocidade e teñen un gran número de velocidades (oito na Fórmula 1), o que permite unha velocidade reducida ao cambiar e limita a transición a zonas con moita menos potencia.

De feito, pode prescindir dunha caixa de cambios clásica, pero ...

O caso dos sistemas híbridos e en particular dos sistemas híbridos como o Toyota Prius. Este coche non ten unha transmisión de ningún dos tipos enumerados. Practicamente non ten caixa de cambios! Isto é posible porque as deficiencias mencionadas son compensadas polo sistema eléctrico. A transmisión substitúese por un denominado divisor de potencia, un engrenaxe planetario que combina un motor de combustión interna e dúas máquinas eléctricas. Para as persoas que non leron a explicación selectiva do seu funcionamento en libros sobre sistemas híbridos e especialmente sobre a creación do Prius (estes últimos están dispoñibles na versión en liña do noso sitio ams.bg), só diremos que o mecanismo permite parte da enerxía mecánica do motor de combustión interna para ser transferida directa, mecánica e parcialmente, converterse en eléctrica (coa axuda dunha máquina como xerador) e de novo en mecánica (coa axuda doutra máquina como motor eléctrico) . A xenialidade desta creación de Toyota (cuxa idea orixinal foi a empresa estadounidense TRW dos anos 60) é proporcionar un alto par de arranque, que evita a necesidade de marchas moi baixas e permite que o motor funcione en modos eficientes. a máxima carga, simulando a marcha máis alta posible, actuando sempre o sistema eléctrico como amortiguador. Cando se precisa simulación de aceleración e cambio de marcha, a velocidade do motor increméntase controlando o xerador e, en consecuencia, pola súa velocidade mediante un sofisticado sistema electrónico de control de corrente. Cando se simulan velocidades altas, ata dous coches teñen que cambiar de papeis para limitar a velocidade do motor. Neste punto, o sistema entra en modo de "circulación de enerxía" e a súa eficiencia redúcese notablemente, o que explica a nítida visualización do consumo de combustible deste tipo de vehículos híbridos a altas velocidades. Así, esta tecnoloxía é na práctica un compromiso conveniente para o tráfico urbano, xa que é obvio que o sistema eléctrico non pode compensar totalmente a ausencia dunha caixa de cambios clásica. Para resolver este problema, os enxeñeiros de Honda están a utilizar unha solución sinxela pero enxeñosa no seu novo sistema híbrido híbrido sofisticado para competir con Toyota: simplemente engaden unha sexta transmisión manual que se engancha en lugar do mecanismo híbrido de alta velocidade. Todo isto pode ser o suficientemente convincente como para mostrar a necesidade dunha caixa de cambios. Por suposto, se é posible cunha gran cantidade de marchas - o feito é que co control manual simplemente non será cómodo para o condutor ter un gran número e o prezo aumentará. Polo momento, as transmisións manuais de 7 velocidades como as que se atopan en Porsche (baseadas en DSG) e en Chevrolet Corvette son bastante raras.

Todo comeza con cadeas e cintos

Así, as diferentes condicións requiren certos valores da potencia requirida en función da velocidade e do par. E nesta ecuación, a necesidade dun funcionamento eficiente do motor e un consumo reducido de combustible, ademais da moderna tecnoloxía do motor, a transmisión convértese nun desafío cada vez máis importante.

Por suposto, o primeiro problema que xorde é comezar: nos primeiros turismos, a forma máis común de caixa de cambios era unha transmisión en cadea, tomada prestada dunha bicicleta, ou unha transmisión por correa que actúa sobre poleas de correas de diferentes diámetros. Na práctica, non houbo sorpresas desagradables na transmisión por correa. Non só era tan ruidoso como os seus socios de cadea, senón que tampouco podía romper os dentes, o que se coñecía polos primitivos mecanismos de engrenaxes que os condutores daquela denominaban "leituga de transmisión". Desde principios de século, lévanse a cabo experimentos coa denominada “tracción de fricción”, que non ten embrague nin marchas, e que utiliza Nissan e Mazda nas súas caixas de cambios toroidais (do que se comentará máis adiante). Non obstante, as alternativas ás rodas dentadas tamén tiñan unha serie de graves inconvenientes: as correas non podían soportar cargas prolongadas e velocidades crecentes, soltáronse e rasgaron rapidamente e as "almofadas" das rodas de fricción estaban sometidas a un desgaste demasiado rápido. En calquera caso, pouco despois do albor da industria do automóbil, as engrenaxes fixéronse necesarias e seguían sendo a única opción nesta fase para transmitir par durante un período bastante longo.

O nacemento dunha transmisión mecánica

Leonardo da Vinci deseñou e fabricou rodas dentadas para os seus mecanismos, pero a produción de rodas dentadas fortes, razoablemente precisas e duradeiras só foi posible en 1880 grazas á dispoñibilidade de tecnoloxías metalúrxicas adecuadas para a creación de aceiros e máquinas para traballar metais de alta calidade. precisión de traballo relativamente alta. A perda de fricción nas engrenaxes reduciuse a só un 2 por cento. Este foi o momento en que se fixeron indispensables como parte da caixa de cambios, pero o problema mantívose coa súa unificación e colocación no mecanismo xeral. Un exemplo de solución innovadora é o Daimler Phoenix de 1897, no que "engrenaxes de varios tamaños" se ensamblaban "nunha caixa de cambios real, segundo o entendido hoxe, que, ademais de catro velocidades, tamén ten marcha atrás. Dous anos despois, Packard converteuse na primeira empresa en usar o coñecido posicionamento da panca de cambios nos extremos da letra "H". Nas décadas seguintes, as engrenaxes xa non estaban, pero os mecanismos seguiron mellorándose en nome dun traballo máis sinxelo. Carl Benz, que equipou os seus primeiros coches de produción cunha caixa de cambios planetaria, logrou sobrevivir á aparición das primeiras caixas de cambios sincronizadas creadas por Cadillac e La Salle en 1929. Dous anos despois, os sincronizadores xa estaban en uso por Mercedes, Mathis, Maybach e Horch, e logo por outro Vauxhall, Ford e Rolls-Royce. Un detalle: todos tiñan unha primeira marcha non sincronizada, o que molestaba moito aos condutores e requiría habilidades especiais. A primeira caixa de cambios totalmente sincronizada foi utilizada polo inglés Alvis Speed ​​Twenty en outubro de 1933 e foi creada pola famosa compañía alemá, que aínda leva o nome de "Gear Factory" ZF, á que a miúdo faremos referencia na nosa historia. Non foi ata mediados dos anos trinta cando os sincronizadores comezaron a instalarse noutras marcas, pero en coches e camións máis baratos os condutores seguían loitando coa panca de cambio para mover e cambiar de marcha. De feito, unha solución ao problema deste tipo de inconvenientes buscouse moito antes coa axuda de varias estruturas de transmisión, tamén destinadas a engranar constantemente pares de engrenaxes e conectalos ao eixe - no período de 1899 a 1910, De Dion Bouton desenvolveu unha transmisión interesante na que as engrenaxes están constantemente engranadas e a súa conexión co eixe secundario realízase mediante pequenos acoplamentos. Panhard-Levasseur tivo un desenvolvemento similar, pero no seu desenvolvemento, as engrenaxes acopladas permanentemente estaban firmemente conectadas ao eixe mediante pasadores. Os deseñadores, por suposto, non deixaron de pensar en como facelo máis doado para os condutores e protexer os coches de danos innecesarios. En 1914, os enxeñeiros de Cadillac decidiron que poderían aproveitar a potencia dos seus enormes motores e equipar aos coches cunha transmisión final axustable que podería cambiar eléctricamente e cambiar a relación de transmisión de 4,04: a 2,5: 1.

Os anos 20 e 30 foron unha época de inventos incribles que forman parte da constante acumulación de coñecemento ao longo dos anos. Por exemplo, en 1931, a empresa francesa Cotal creou unha transmisión manual desplazada electromagnéticamente controlada por unha pequena panca no volante, que, á súa vez, se combinaba cunha pequena panca de ralentí colocada no chan. Mencionamos esta última característica porque permite que o coche teña exactamente tantas marchas cara adiante como catro marchas atrás. Daquela, prestixiosas marcas como Delage, Delahaye, Salmson ou Voisin estaban interesadas no invento de Kotal. Ademais da mencionada "vantaxe" estraña e esquecida de moitas marchas modernas de tracción traseira, esta incrible caixa de cambios tamén ten a capacidade de "interactuar" cunha palanca de cambios automática Fleschel que cambia as marchas a medida que a velocidade cae debido á carga do motor e é de feito. un dos primeiros intentos de automatizar o proceso.

A maioría dos coches dos anos 40 e 50 tiñan tres marchas porque os motores non desenvolvían máis de 4000 rpm. Co aumento das revolucións, o torque e as curvas de potencia, as tres marchas deixaron de cubrir o rango de revolucións. O resultado foi un movemento desarmónico cunha transmisión "impresionante" característica ao levantar e forzar excesivamente ao cambiar a unha inferior. A solución lóxica ao problema foi o cambio masivo a marchas de catro velocidades nos anos 60, e as primeiras caixas de cambios de cinco velocidades nos anos 70 foron un fito significativo para os fabricantes, que observaron con orgullo a presenza desa caixa de cambios xunto coa imaxe do modelo no coche. Recentemente, o dono dun clásico Opel Commodore díxome que cando mercou o coche tiña 3 marchas e unha media de 20 l / 100 km. Cando cambiou a caixa de cambios por unha caixa de cambios de catro velocidades, o consumo era de 15 l / 100 km e, despois de que finalmente obtivo unha de cinco velocidades, esta última caeu a 10 litros.

Hoxe en día, practicamente non hai coches con menos de cinco marchas e seis velocidades están a ser a norma nas versións máis altas de modelos compactos. A sexta idea na maioría dos casos é unha forte redución da velocidade a altas revolucións e, nalgúns casos, cando non é tan longa e a redución da velocidade baixa ao cambiar. As transmisións de varias etapas teñen un efecto particularmente positivo nos motores diésel, cuxas unidades teñen un par elevado, pero un alcance de funcionamento significativamente reducido debido á natureza fundamental do motor diésel.

(seguir)

Texto: Georgy Kolev