Reynsluakstur Saga bifreiðaskipta - 1. hluti

Í greinaflokki munum við segja þér frá sögu gírkassa fyrir bíla og vörubíla - ef til vill í tilefni af því að 75 ár eru liðin frá því að fyrstu sjálfskiptingin var til.

1993 Í tilraunaprófunum í Silverstone yfirgaf Williams tilraunaökuþórinn David Coulthard brautina fyrir næstu prófun í nýjum Williams FW 15C. Á blautu gangstéttinni skvettir bíllinn út um allt en samt heyra allir undarlegt eintóna háhraðahljóð tíu strokka vélar. Augljóslega notar Frank William annars konar sendingu. Upplýstum er ljóst að þetta er ekkert annað en stöðugt breytileg skipting sem er hönnuð til að mæta þörfum Formúlu 1. Síðar kom í ljós að hún var þróuð með hjálp alls staðar nálægra sérfræðinga Van Doorn. smit sýkingar. Samsærisfyrirtækin tvö hafa hellt gríðarlegu verkfræði- og fjármagnsfé í þetta verkefni á undanförnum fjórum árum til að búa til fullkomlega virka frumgerð sem gæti endurskrifað reglur um dýnamík í íþróttadrottningunni. Í YouTube myndbandinu í dag má sjá prófanir á þessari fyrirmynd og sjálfur heldur Coulthard því fram að honum líki vel við vinnu hennar - sérstaklega í horni, þar sem engin þörf er á að eyða tíma í að gíra niður - allt er séð um með rafeindatækni. Því miður misstu allir sem unnu að verkefninu afrakstur erfiðis síns. Löggjafarnir voru fljótir að banna notkun slíkra passa í Formúlu, að sögn vegna „ósanngjarnra yfirburða“. Reglunum var breytt og V-belti CVT eða CVT skiptingar voru saga með aðeins þetta stutta útlit. Málinu er lokið og Williams ætti að snúa aftur í hálfsjálfvirkar skiptingar, sem enn eru staðalbúnaður í Formúlu 1 og sem aftur varð bylting seint á níunda áratugnum. Við the vegur, aftur árið 80, gerði DAF með Variomatic skiptingu tilraunir til að komast inn á mótorsportbrautina, en á þeim tíma var vélbúnaðurinn svo gríðarlegur að jafnvel án íhlutunar huglægra þátta var það dæmt til að mistakast. En það er önnur saga.

Við höfum ítrekað nefnt dæmi um hve mikil nýsköpun í nútíma bílaiðnaði er afleiðing gamalla hugmynda sem fæðast í hausnum á einstaklega hæfileikaríku og hyggnu fólki. Vegna vélrænnar eðlis þeirra eru gírkassar eitt helsta dæmið um hvernig hægt er að útfæra þá þegar tíminn er réttur. Nú á dögum hefur samsetning háþróaðra efna og framleiðsluferla og rafrænnar stjórnsýslu skapað tækifæri fyrir ótrúlega áhrifaríkar lausnir í öllum flutningsformum. Þróunin í átt til minni neyslu annars vegar og sérstöðu nýrra véla með minni stærð (til dæmis nauðsyn þess að fljótt sigrast á túrbógati) leiðir til þess að þörf er á að búa til sjálfskiptingar með breiðara gírhlutfalli og í samræmi við það, mikill fjöldi gíra. Ódýrari kostir þeirra eru CVT -hjól fyrir smábíla, sem oft eru notaðir af japönskum bílaframleiðendum, og sjálfvirkar beinskiptingar eins og Easytronic. Opel (einnig fyrir litla bíla). Aðferðir samhliða blendinga kerfa eru sérstakar og sem hluti af viðleitni til að draga úr losun kemur rafvæðing í raun fram í gírskiptingum.

Vél getur ekki verið án gírkassa

Hingað til hefur mannkynið ekki fundið upp skilvirkari leið til beinnar miðlunar á vélrænni orku (nema auðvitað vökvakerfi og tvinnkerfi) en aðferðir sem nota belti, keðjur og gíra. Auðvitað eru óteljandi afbrigði af þessu efni og þú getur skilið kjarna þeirra betur með því að telja upp framúrskarandi þróun á þessu sviði undanfarin ár.

Hugmyndin um rafræna skiptingu, eða rafræn óbein tenging stjórnbúnaðar við gírkassann, er langt frá því að vera síðasta grátið, því árið 1916 bjó Pullman-fyrirtækið í Pennsylvaníu til gírkassa sem skiptir gírum rafrænt. Með því að nota sömu vinnuregluna í endurbættri mynd, tuttugu árum síðar, var hann settur upp í framúrstefnu Cord 812 - einn framúrstefnulegasta og dásamlegasta bílinn, ekki aðeins árið 1936, þegar hann var búinn til. Það er nógu merkilegt að þessa snúru er að finna á forsíðu bókar um afrek iðnhönnunar. Gírskipting hans sendir tog frá vélinni til framássins (!) og gírskiptingin er beint filigree fyrir þá framsetningu á stýrissúlunni, sem virkjar sérstaka rafrofa sem virkja flókið kerfi rafsegultækja með lofttæmandi þind, þar á meðal gíra. Snúruhönnuðum tókst að sameina allt þetta með góðum árangri og það virkar frábærlega ekki aðeins í orði heldur einnig í reynd. Það var algjör martröð að setja upp samstillingu milli gírskiptingar og kúplingsaðgerðar og samkvæmt gögnum þess tíma var hægt að senda vélvirkja á geðsjúkrahús. Hins vegar var Cord lúxusbíll og eigendur hans gátu ekki leyft sér frjálslega viðhorf margra nútímaframleiðenda til nákvæmni þessa ferlis - í reynd skiptast flestar sjálfvirkar (oft kallaðar vélfæra- eða hálfsjálfvirkar) skiptingar með einkennandi seinkun, og oft vindhviður.

Það er enginn að halda því fram að samstilling sé miklu auðveldari verkefni með einfaldari og útbreiddari beinskiptingu í dag, því spurningin "Af hverju er nauðsynlegt að nota slíkt tæki yfirleitt?" Hefur grundvallareinkenni. Ástæðan fyrir þessum flókna atburði, en einnig að opna viðskiptasið fyrir milljarða, liggur í eðli brunavélarinnar. Ólíkt til dæmis gufuvél, þar sem þrýstingur gufunnar sem kemur í strokkana getur breyst tiltölulega auðveldlega, og þrýstingur hennar getur breyst við gangsetningu og eðlilega notkun, eða frá rafmótor, þar sem sterkt drifsegulsvið. er einnig til á núllhraða. á mínútu (reyndar er það hæst, og vegna minnkandi skilvirkni rafmótora með auknum hraða eru allir framleiðendur gírkassa fyrir rafbíla að þróa tveggja þrepa valkosti) Brunavél hefur eiginleika þar sem hámarksafl er náð á hraða nálægt hámarki og hámarkstog - á tiltölulega litlu hraðasviði, þar sem ákjósanlegasta brennsluferlið á sér stað. Einnig skal tekið fram að í raunveruleikanum er vélin sjaldan notuð á hámarks togferlinum (samsvarandi á hámarksafköstum). Því miður er togið við lágan snúning í lágmarki og ef skiptingin er beintengd, jafnvel með kúplingu sem losnar og gerir kleift að ræsa, mun bíllinn aldrei geta framkvæmt aðgerðir eins og að ræsa, flýta og aka á breiðu hraðasviði. Hér er einfalt dæmi - ef vélin sendir út hraðann 1: 1 og dekkjastærðin er 195/55 R 15 (í augnablikinu, miðað við tilvist aðalgírsins), þá ætti bíllinn fræðilega að hreyfast á hraða sem nemur 320 km. / klst við 3000 sveifarásar á mínútu. Auðvitað eru bílar með bein eða lokuð gíra og jafnvel skriðdrif, en þá kemur lokadrifið einnig í jöfnuna og verður að taka tillit til þess. Hins vegar, ef við höldum áfram upprunalegu rökum rökstuðnings um akstur á venjulegum 60 km hraða í borginni, þarf vélin aðeins 560 snúninga á mínútu. Auðvitað er enginn mótor sem er fær um að gera svona garn. Það er eitt smáatriði í viðbót - vegna þess að afl er eingöngu líkamlega í réttu hlutfalli við tog og hraða (einnig er hægt að skilgreina formúlu þess sem hraði x tog / ákveðinn stuðull), og hröðun líkamans fer eftir kraftinum sem beitt er á hann . , skiljið, í þessu tilfelli, kraftinn, það er rökrétt að fyrir hraðari hröðun þarf meiri hraða og meira álag (þ.e. tog). Það hljómar flókið en í reynd þýðir þetta eftirfarandi: Sérhver ökumaður, jafnvel sá sem skilur ekki neitt í tækni, veit að til þess að komast hratt fram úr bíl þarf að skipta einum eða jafnvel tveimur gírum neðar. Þannig er það með gírkassanum sem hann skilar samstundis hærri snúningi og því meira afl í þessum tilgangi með sama stigi pedalþrýstings. Þetta er verkefni þessa tækis - að teknu tilliti til eiginleika brunavélarinnar, til að tryggja rekstur þess í bestu stillingu. Akstur í fyrsta gír á 100 km hraða verður nokkuð óhagkvæmur og í sjötta lagi, hentugur fyrir brautina, er ómögulegt að komast af stað. Það er engin tilviljun að hagkvæmur akstur krefst snemma gírskiptinga og vélarinnar ganga á fullu álagi (þ.e. keyra aðeins undir hámarks togferli). Sérfræðingar nota hugtakið „lítil sérstök orkunotkun“, sem er á miðju snúningshraða og nálægt hámarksálagi. Þá opnast inngjöfarloki bensínvéla breiðari og dregur úr dælutapi, eykur strokkþrýsting og bætir þar með gæði efnahvarfa. Minni hraði dregur úr núningi og gefur meiri tíma til að fylla alveg. Kappakstursbílar keyra alltaf á miklum hraða og hafa mikinn fjölda gíra (átta í Formúlu 1), sem gerir kleift að draga úr hraða þegar skipt er og takmarkar umskipti til svæða með verulega minni afl.

Reyndar getur það verið án klassískrar gírkassa, en ...

Um er að ræða tvinnkerfi og sérstaklega tvinnkerfi eins og Toyota Prius. Þessi bíll er ekki með gírskiptingu af neinni af þeim gerðum sem taldar eru upp. Það er nánast enginn gírkassa! Þetta er mögulegt vegna þess að áðurnefndir annmarkar eru bættir með rafkerfinu. Skiptingin er skipt út fyrir svokallaðan kraftkljúf, plánetugír sem sameinar brunavél og tvær rafvélar. Fyrir fólk sem hefur ekki lesið sértæka útskýringu á starfsemi þess í bókum um tvinnkerfi og sérstaklega um gerð Prius (síðarnefndu eru fáanlegar á netútgáfu vefsins ams.bg), munum við aðeins segja að vélbúnaðurinn leyfir hluta af vélrænni orku brunahreyfilsins sem á að flytja beint, vélrænt og að hluta, í rafmagn (með hjálp einnar vélar sem rafall) og aftur í vélræna (með hjálp annarrar vél sem rafmótor) . Snilldin við þessa sköpun Toyota (sem upprunalega hugmyndin var bandaríska fyrirtækið TRW frá sjöunda áratugnum) er að veita hátt starttog, sem forðast þörfina á mjög lágum gírum og gerir vélinni kleift að starfa í skilvirkum stillingum. við hámarksálag, sem líkir eftir hæsta mögulega gír, þar sem rafkerfið virkar alltaf sem biðminni. Þegar þörf er á eftirlíkingu á hröðun og niðurgír er snúningshraði hreyfilsins aukinn með því að stjórna rafalanum og, í samræmi við það, hraða hans með háþróuðu rafrænu straumstýrikerfi. Þegar hermt er eftir háum gírum þurfa jafnvel tveir bílar að skipta um hlutverk til að takmarka hraða vélarinnar. Á þessum tímapunkti fer kerfið í „power circulation“ ham og skilvirkni þess minnkar verulega, sem skýrir skarpa birtingu eldsneytisnotkunar þessarar tegundar tvinnbíla á miklum hraða. Þannig er þessi tækni í reynd málamiðlun hentug fyrir umferð í þéttbýli, þar sem augljóst er að rafkerfið getur ekki að fullu bætt upp fyrir skort á klassískum gírkassa. Til að leysa þetta vandamál nota verkfræðingar Honda einfalda en samt sniðuga lausn í nýju háþróuðu tvinn tvinnkerfi sínu til að keppa við Toyota - þeir bæta einfaldlega við sjöttu beinskiptingu sem kemur í staðinn fyrir háhraða tvinnbúnaðinn. Allt þetta gæti verið nógu sannfærandi til að sýna þörfina fyrir gírkassa. Auðvitað, ef mögulegt er með miklum fjölda gíra - staðreyndin er sú að með handstýringu mun það einfaldlega ekki vera þægilegt fyrir ökumann að hafa mikinn fjölda og verðið mun hækka. Í augnablikinu eru 60 gíra beinskiptingar eins og þær sem finnast í Porsche (byggt á DSG) og Chevrolet Corvettes frekar sjaldgæfar.

Þetta byrjar allt með keðjum og beltum

Svo, mismunandi aðstæður krefjast ákveðinna gilda nauðsynlegs afls, allt eftir hraða og togi. Og í þessari jöfnu er þörfin fyrir hagkvæman rekstur vélarinnar og minni eldsneytisnotkun, auk nútímatækni vélarinnar, flutningur sífellt mikilvægari áskorun.

Fyrsta vandamálið sem kemur upp er náttúrulega að byrja - í fyrstu fólksbílunum var algengasta form gírkassa keðjudrif, fengið að láni á reiðhjóli, eða beltadrif sem virkaði á beltadrif með mismunandi þvermál. Í reynd kom ekkert óþægilegt á óvart í reimdrifinu. Hann var ekki aðeins hávaðasamur og keðjufélagar þess, heldur gat hann heldur ekki brotið tennur, sem var þekkt frá frumstæðum gírbúnaði sem ökumenn á þeim tíma kölluðu „flutningssalat“. Frá aldamótum hafa verið gerðar tilraunir með svokallað „núningshjóladrif“ sem hefur hvorki kúplingu né gíra og notar Nissan og Mazda í hringlaga gírkassa (sem nánar verður fjallað um síðar). Valkostirnir við gírhjólin höfðu hins vegar einnig ýmsa alvarlega galla - beltin þola ekki langvarandi álag og aukinn hraða, þau losnuðu fljótt og rifnuðu og „púðar“ núningshjólanna urðu fyrir of hröðu sliti. Í öllu falli, skömmu eftir dögun bílaiðnaðarins, urðu gírar nauðsynlegir og voru áfram eini kosturinn á þessu stigi til að senda tog í nokkuð langan tíma.

Fæðing vélrænna sendinga

Leonardo da Vinci hannaði og framleiddi tannhjól fyrir kerfi hans, en framleiðsla á sterkum, hæfilega nákvæmum og endingargóðum tannhjólum varð aðeins möguleg árið 1880 þökk sé tiltækri málmvinnslu til að búa til hágæða stál og málmvinnsluvélar. tiltölulega mikil nákvæmni vinnu. Núningstap í gírunum minnkar í aðeins 2 prósent! Þetta var augnablikið þegar þeir urðu ómissandi sem hluti af gírkassanum, en vandamálið var áfram með sameiningu þeirra og staðsetningu í almennu kerfinu. Dæmi um nýstárlega lausn er Daimler Phoenix frá 1897, þar sem gírar af ýmsum stærðum voru „settir saman“ í raunverulegan, samkvæmt skilningi dagsins í dag, gírkassi, sem, auk fjögurra hraða, er einnig með afturábak. Tveimur árum síðar varð Packard fyrsta fyrirtækið til að nota hina þekktu staðsetningu gírskiptingarhandfangsins í enda bókstafsins „H“. Næstu áratugi voru gírarnir ekki lengur, en áfram var verið að bæta kerfin í nafni auðveldari vinnu. Carl Benz, sem útbúði fyrstu framleiðslubíla sína með plánetugírkassa, lifði af fyrstu samstilltu gírkassana sem Cadillac og La Salle þróuðu árið 1929. Tveimur árum síðar voru samstillingar þegar í notkun hjá Mercedes, Mathis, Maybach og Horch, og síðan annar Vauxhall, Ford og Rolls-Royce. Eitt smáatriði - allir voru með ósamstilltan fyrsta gír, sem fór mjög í taugarnar á ökumönnum og krafðist sérstakrar færni. Fyrsti fullkomlega samstillti gírkassinn var notaður af enska Alvis Speed ​​Twenty í október 1933 og var hannaður af fræga þýska fyrirtækinu, sem enn ber nafnið „Gear Factory“ ZF, sem við munum oft nefna í sögu okkar. Það var ekki fyrr en um miðjan þriðja áratuginn sem samstillingar fóru að koma fyrir á öðrum vörumerkjum, en í ódýrari bílum og vörubílum héldu ökumenn áfram að glíma við gírstöngina til að hreyfa og skipta gír. Reyndar var miklu fyrr leitað lausna á vandamálinu vegna óþæginda af þessu tagi með hjálp ýmissa flutningsmannvirkja, sem einnig miðuðu að því að tengja stöðugt gírpör og tengja þau við skaftið - á tímabilinu 1899 til 1910, De Dion Bouton þróað áhugaverða gírskiptingu þar sem gírin eru stöðugt í möskva og tenging þeirra við aukaskaftið fer fram með litlum tengi. Panhard-Levasseur var með svipaða þróun, en í þróun þeirra voru varanlegir gírar fast tengdir skaftinu með því að nota pinna. Hönnuðirnir hættu að sjálfsögðu ekki að hugsa um hvernig hægt væri að auðvelda ökumönnum og verja bíla fyrir óþarfa skemmdum. Árið 1914 ákváðu Cadillac verkfræðingar að þeir gætu virkjað afl risavaxinna véla sinna og útbúið bíla með stillanlegri lokadrifi sem gæti skipt rafmagni og breytt gírhlutfalli úr 4,04: í 2,5: 1.

20 og 30 voru tími ótrúlegra uppfinninga sem eru hluti af stöðugri uppsöfnun þekkingar í gegnum árin. Til dæmis, árið 1931, bjó franska fyrirtækið Cotal til rafsegulbreytta handskiptingu sem stjórnað var af lítilli stöng á stýrinu, sem aftur var sameinuð með lítilli aðgerðalausri stöng sem var sett á gólfið. Við nefnum síðarnefnda eiginleikann vegna þess að hann gerir bílnum kleift að hafa nákvæmlega jafn marga framgíra og það eru fjórir bakkgírar. Á þeim tíma höfðu virt vörumerki eins og Delage, Delahaye, Salmson og Voisin áhuga á uppfinningu Kotal. Fyrir utan fyrrnefndan furðulega og gleymda „kost“ margra nútíma afturhjóladrifna gíra, þá hefur þessi ótrúlegi gírkassi einnig þann eiginleika að „samverka“ við Fleschel sjálfskiptingu sem skiptir um gír þegar hraðinn lækkar vegna álags á vélinni og er í raun ein af fyrstu tilraunum til að gera ferlið sjálfvirkt.

Flestir bílar frá 40 og 50 voru með þrjá gíra, því vélarnar þróuðu ekki meira en 4000 snúninga á mínútu. Með aukningu á snúningshraða, tog- og aflferli náðu gírarnir þrír ekki lengur snúningshraða. Niðurstaðan var óheiðarleg hreyfing með einkennandi „töfrandi“ skiptingu þegar lyft var og of mikil þvingun þegar skipt var yfir í neðri. Rökrétt lausnin á vandamálinu var mikil skipting í fjögurra gíra gír á sjöunda áratug síðustu aldar og fyrstu fimm gíra gírkassarnir á áttunda áratugnum voru mikilvægur áfangi fyrir framleiðendur sem bentu stoltir á tilvist slíks gírkassa ásamt fyrirmyndarmyndinni á bílnum. Nýlega sagði eigandi sígilds Opel Commodore mér að þegar hann keypti bílinn væri hann í 60 gírum og að meðaltali 70 l / 3 km. Þegar hann skipti um gírkassa fyrir fjögurra gíra gírkassa var eyðslan 20 l / 100 km og eftir að hann fékk loks fimm gíra lækkaði sá síðarnefndi í 15 lítra.

Í dag eru nánast engir bílar með minna en fimm gíra og sex hraðar eru að verða venjan í hærri útgáfum af samningum gerðum. Sjötta hugmyndin er í flestum tilfellum sterk lækkun á hraða við há snúning og í sumum tilvikum þegar hann er ekki svo langur og minnkun hraðans lækkar þegar skipt er um. Fjölþrepa skiptingar hafa sérstaklega jákvæð áhrif á dísilvélar, einingar þeirra hafa mikið tog, en verulega skert vinnusvið vegna grundvallar eðli dísilvélarinnar.

(að fylgja)

Texti: Georgy Kolev