Testovací jízda Historie automobilových převodovek - 1. část

V sérii článků vám budeme vyprávět o historii převodovek pro osobní a nákladní automobily – možná jako přikývnutí k příležitosti 75. výročí vzniku první automatické převodovky.

1993 Během předzávodních testů v Silverstone opustil testovací jezdec Williamsu David Coulthard trať k dalšímu testu s novým Williamsem FW 15C. Na mokrém chodníku auto cáká všude, ale přesto každý slyší ten zvláštní monotónní zvuk desetiválcového motoru ve vysokých otáčkách. Je zřejmé, že Frank William používá jiný druh přenosu. Osvíceným je jasné, že nejde o nic jiného než o bezestupňovou převodovku navrženou tak, aby vyhovovala potřebám motoru formule 1. Později se ukázalo, že byla vyvinuta s pomocí všudypřítomných specialistů Van Doorn. přenos infekce. Dvě spiklenecké společnosti do tohoto projektu v posledních čtyřech letech nalily obrovské inženýrské a finanční zdroje, aby vytvořily plně funkční prototyp, který by mohl přepsat pravidla dynamiky ve sportovní královně. Ve videu na YouTube dnes můžete vidět testy tohoto modelu a sám Coulthard tvrdí, že se mu její práce líbí - hlavně v koutě, kde není potřeba ztrácet čas podřazováním - o vše se stará elektronika. Bohužel každý, kdo na projektu pracoval, přišel o plody své práce. Zákonodárci rychle zakázali používání takových průkazů ve formuli, údajně kvůli „nespravedlivé výhodě“. Pravidla byla změněna a převodovky CVT nebo CVT s klínovým řemenem byly historií pouze s tímto krátkým vzhledem. Případ je uzavřen a Williams by se měl vrátit k poloautomatickým převodovkám, které jsou ve Formuli 1 stále standardem a které se naopak na konci 80. let staly revolucí. Mimochodem, už v roce 1965 se DAF s převodovkou Variomatic pokoušel vstoupit na trať motoristického sportu, ale v té době byl mechanismus tak masivní, že i bez zásahu subjektivních faktorů byl odsouzen k neúspěchu. Ale to je jiný příběh.

Opakovaně jsme citovali příklady toho, jak velká inovace v moderním automobilovém průmyslu je výsledkem starých myšlenek zrozených v hlavách mimořádně nadaných a náročných lidí. Převodovky jsou díky své mechanické povaze jedním z nejjasnějších příkladů toho, jak je lze implementovat, když nastane správný čas. V dnešní době kombinace pokročilých materiálů a výrobních postupů a elektronické veřejné správy vytvořila příležitost pro neuvěřitelně účinná řešení ve všech formách přenosu. Trend směřující k nižší spotřebě na jedné straně a specifičnost nových motorů se zmenšenými rozměry (například potřeba rychle překonat turbo díru) vedou k potřebě vytvářet automatické převodovky s širším rozsahem převodových poměrů a podle toho velký počet rychlostních stupňů. Jejich dostupnější alternativou jsou CVT pro malá auta, často používaná japonskými výrobci automobilů, a automatické manuální převodovky, jako je Easytronic. Opel (také pro malá auta). Mechanismy paralelních hybridních systémů jsou specifické a v rámci úsilí o snížení emisí se elektrifikace pohonu skutečně vyskytuje v převodovkách.

Motor se neobejde bez převodovky

Lidstvo dosud nevynalezlo účinnější způsob přímého přenosu mechanické energie (samozřejmě kromě hydraulických mechanismů a hybridních elektrických systémů) než metody využívající řemeny, řetězy a ozubená kola. Samozřejmě existuje nespočet variací na toto téma a jejich podstatu můžete lépe pochopit uvedením nejvýznamnějšího vývoje v této oblasti za poslední roky.

Koncept elektronického řazení neboli elektronické nepřímé napojení ovládacího mechanismu na převodovku není zdaleka posledním výkřikem, protože v roce 1916 vytvořila firma Pullman z Pensylvánie převodovku, která řadí převody elektricky. Na stejném principu práce ve vylepšené podobě byl o dvacet let později instalován do avantgardního Cord 812 - jednoho z nejfuturističtějších a nejúžasnějších vozů nejen v roce 1936, kdy vznikl. Je dostatečně významné, že tuto šňůru lze nalézt na obálce knihy o úspěších průmyslového designu. Jeho převod přenáší točivý moment z motoru na přední nápravu (!), řazení je pro tehdejší znázornění sloupku řízení přímo filigránové, které spouští speciální elektrické spínače, které aktivují složitý systém elektromagnetických zařízení s podtlakovými membránami včetně převodů. To vše se konstruktérům šňůr podařilo úspěšně skloubit a skvěle to funguje nejen teoreticky, ale i prakticky. Nastavit synchronizaci mezi řazením a ovládáním spojky byla skutečná noční můra a podle dobových důkazů bylo možné poslat mechanika do psychiatrické léčebny. Cord byl ovšem luxusní vůz a jeho majitelé si nemohli dovolit ležérní přístup mnoha moderních výrobců k přesnosti tohoto procesu – v praxi většina automatizovaných (často nazývaných robotické nebo poloautomatické) převodovky řadí s charakteristickým zpožděním, a často poryvy.

Nikdo netvrdí, že synchronizace je dnes u jednodušších a rozšířenějších manuálních převodovek mnohem snazší, protože otázka "Proč je vůbec nutné takové zařízení používat?" Má zásadní charakter. Důvod této složité události, ale také otevření obchodní mezery pro miliardy, spočívá v samotné povaze spalovacího motoru. Na rozdíl např. od parního stroje, kde se tlak páry přiváděné do válců může poměrně snadno měnit a její tlak se může měnit při spouštění a běžném provozu, nebo od elektromotoru, ve kterém je silné hnací magnetické pole existuje i při nulové rychlosti.za minutu (ve skutečnosti je pak nejvyšší a vzhledem k poklesu účinnosti elektromotorů s rostoucí rychlostí vyvíjejí v současnosti všichni výrobci převodovek pro elektromobily dvoustupňové varianty) interní spalovací motor má charakteristiku, ve které je maximálního výkonu dosaženo při otáčkách blízkých maximu, a maximálního točivého momentu - v relativně malém rozsahu otáček, ve kterých probíhají nejoptimálnější spalovací procesy. Je třeba také poznamenat, že v reálném životě je motor zřídka používán na křivce maximálního točivého momentu (respektive na křivce vývoje maximálního výkonu). Kroutící moment při nízkých otáčkách je bohužel minimální a pokud je převodovka přímo spojena, dokonce i se spojkou, která se odpojí a umožní rozjezd, vůz nikdy nebude schopen provádět činnosti, jako je rozjezd, zrychlení a jízda v širokém rozsahu rychlostí. Zde je jednoduchý příklad - pokud motor přenáší svou rychlost 1: 1 a rozměr pneumatik je 195/55 R 15 (prozatím abstrahujeme od přítomnosti hlavního převodového stupně), teoreticky by se auto mělo pohybovat rychlostí 320 km. / h při 3000 otáčkách klikového hřídele za minutu. Automobily samozřejmě mají přímé nebo blízké převody a dokonce i pásové převody, přičemž v tomto případě přichází do rovnice i konečný pohon a je třeba s ním počítat. Pokud však budeme pokračovat v původní logice uvažování o jízdě normální rychlostí 60 km / h ve městě, bude motor potřebovat pouze 560 ot / min. Samozřejmě neexistuje žádný motor, který by byl schopen takový motouz udělat. Je tu ještě jeden detail - protože čistě fyzikálně je výkon přímo úměrný točivému momentu a rychlosti (jeho vzorec lze také definovat jako rychlost x točivý moment / určitý koeficient) a zrychlení fyzického těla závisí na síle, která na něj působí. . , pochopte, v tomto případě výkon, je logické, že pro rychlejší zrychlení budete potřebovat vyšší rychlosti a větší zatížení (tj. točivý moment). Zní to komplikovaně, ale v praxi to znamená následující: každý řidič, i ten, kdo nerozumí ničemu v technologii, ví, že k rychlému předjetí automobilu je třeba zařadit jeden nebo dokonce dva stupně níže. Právě s převodovkou tedy při stejném tlaku na pedál okamžitě poskytuje vyšší otáčky, a tedy více síly. To je úkolem tohoto zařízení – s přihlédnutím k charakteristikám spalovacího motoru, zajistit jeho provoz v optimálním režimu. Jízda na první rychlostní stupeň 100 km / h bude docela neekonomická a v šestém, vhodném pro trať, je nemožné se rozjet. Není náhodou, že ekonomická jízda vyžaduje předčasné řazení a motor běžící při plném zatížení (tj. Jízda mírně pod křivkou maximálního točivého momentu). Odborníci používají výraz „nízká specifická spotřeba energie“, který je ve středním rozsahu otáček a blíží se maximální zátěži. Poté se škrticí ventil benzínových motorů otevře širší a sníží ztráty při čerpání, zvýší tlak ve válci a tím zlepší kvalitu chemických reakcí. Pomalejší rychlosti snižují tření a umožňují více času na úplné naplnění. Závodní vozy vždy jezdí vysokou rychlostí a mají velký počet rychlostních stupňů (osm ve formuli 1), což umožňuje sníženou rychlost při řazení a omezuje přechod do oblastí s výrazně menším výkonem.

Ve skutečnosti to zvládne bez klasické převodovky, ale ...

Případ hybridních systémů a zejména hybridních systémů, jako je Toyota Prius. Tento vůz nemá převodovku žádného z uvedených typů. Nemá prakticky žádnou převodovku! To je možné, protože výše uvedené nedostatky jsou kompenzovány elektrickým systémem. Převodovka je nahrazena tzv. power splitterem, planetovým soukolím, které kombinuje spalovací motor a dva elektrické stroje. Pro lidi, kteří nečetli selektivní vysvětlení jeho fungování v knihách o hybridních systémech a zejména o vytvoření Prius (poslední jsou k dispozici na online verzi našeho webu ams.bg), pouze řekneme, že mechanismus umožňuje část mechanické energie spalovacího motoru, která se má přímo, mechanicky a částečně převést na elektrickou (pomocí jednoho stroje jako generátoru) a znovu na mechanickou (pomocí dalšího stroje jako elektromotoru) . Genialitou tohoto výtvoru Toyoty (jejíž původní myšlenkou byla americká společnost TRW z 60. let) je poskytnout vysoký rozběhový moment, který se vyhýbá nutnosti velmi nízkých převodů a umožňuje motoru pracovat v efektivních režimech. při maximální zátěži, simulující nejvyšší možný převodový stupeň, přičemž elektrický systém vždy funguje jako nárazník. Při požadavku na simulaci zrychlení a podřazování se otáčky motoru zvyšují řízením generátoru a podle toho i jeho otáčky pomocí sofistikovaného elektronického systému řízení proudu. Při simulaci vysokých převodových stupňů si i dvě auta musí vyměnit role, aby se omezily otáčky motoru. V tomto okamžiku systém přejde do režimu „cirkulace energie“ a jeho účinnost se výrazně sníží, což vysvětluje ostré zobrazení spotřeby paliva tohoto typu hybridních vozidel při vysokých rychlostech. Tato technologie je tedy v praxi kompromisem vhodným pro městský provoz, neboť je zřejmé, že elektrická soustava nedokáže plně kompenzovat absenci klasické převodovky. K vyřešení tohoto problému používají inženýři Hondy jednoduché, ale důmyslné řešení ve svém novém sofistikovaném hybridním hybridním systému, aby mohli konkurovat Toyotě – jednoduše přidali šestou manuální převodovku, která se zapojí místo vysokorychlostního hybridního mechanismu. To vše může být dostatečně přesvědčivé, aby se ukázalo, že je potřeba převodovka. Samozřejmě pokud možno s velkým počtem převodů - faktem je, že s manuálním ovládáním prostě nebude pro řidiče pohodlné mít velký počet a cena poroste. V současné době jsou 7stupňové manuální převodovky, jako jsou ty, které se nacházejí v Porsche (založené na DSG) a Chevrolet Corvette, poměrně vzácné.

Všechno to začíná řetězy a řemeny

Různé podmínky tedy vyžadují určité hodnoty požadovaného výkonu v závislosti na otáčkách a točivém momentu. A v této rovnici se vedle moderních technologií motorů stává stále důležitější výzvou i potřeba efektivního provozu motoru a snížené spotřeby paliva.

Prvním problémem je samozřejmě startování - u prvních osobních automobilů byl nejčastější formou převodovky řetězový pohon, vypůjčený z jízdního kola, nebo řemenový pohon působící na řemenice různých průměrů. V praxi se v řemenovém pohonu nekonalo žádné nepříjemné překvapení. Nejen, že byl hlučný jako jeho řetězoví partneři, ale také neuměl vylámat zuby, což bylo známo z primitivních převodových mechanismů, které tehdejší řidiči označovali jako „převodový salát“. Od přelomu století se experimentuje s tzv. „pohonem třecím kolem“, který nemá spojku ani převody a ve svých toroidních převodovkách používá Nissan a Mazda (o čemž bude řeč později). Alternativy ozubených kol však měly i řadu vážných nedostatků – řemeny nevydržely dlouhodobé zatížení a zvyšující se rychlost, rychle se uvolňovaly a trhaly a „podložky“ třecích kol podléhaly příliš rychlému opotřebení. V každém případě, krátce po úsvitu automobilového průmyslu se převody staly nezbytností a zůstaly v této fázi jedinou možností přenosu točivého momentu na poměrně dlouhou dobu.

Zrození mechanické převodovky

Leonardo da Vinci navrhoval a vyráběl ozubená kola pro své mechanismy, ale výroba silných, přiměřeně přesných a trvanlivých ozubených kol byla možná až v roce 1880 díky dostupnosti vhodných metalurgických technologií pro výrobu vysoce kvalitních ocelí a strojů na zpracování kovů. relativně vysoká přesnost práce. Ztráty třením v rychlostních stupních se snižují pouze na 2 procenta! To byl okamžik, kdy se staly nepostradatelnými jako součást převodovky, ale problém zůstal v jejich sjednocení a umístění v obecném mechanismu. Příkladem inovativního řešení je Daimler Phoenix z roku 1897, ve kterém byla „sestavena“ ozubená kola různých velikostí do skutečné, podle dnešního chápání, převodovky, která má kromě čtyř rychlostí i zpátečku. O dva roky později se Packard stal první společností, která používala známé umístění řadicí páky na koncích písmene „H“. V následujících desetiletích už převody nebyly, ale mechanismy se ve jménu snazší práce nadále zlepšovaly. Carl Benz, který vybavil své první sériové vozy planetovou převodovkou, dokázal přežít vzhled prvních synchronizovaných převodovek vytvořených Cadillacem a La Salle v roce 1929. O dva roky později již synchronizátory používaly Mercedes, Mathis, Maybach a Horch a poté další Vauxhall, Ford a Rolls-Royce. Jeden detail – všechny měly nesynchronizovaný první rychlostní stupeň, což řidiče značně obtěžovalo a vyžadovalo speciální dovednosti. První plně synchronizovanou převodovku použil anglický Alvis Speed Twenty v říjnu 1933 a vytvořil ji slavná německá společnost, která dodnes nese název „Gear Factory“ ZF, na který se v našem příběhu budeme často odkazovat. Až v polovině třicátých let se začaly na jiné značky instalovat synchronizátory, ale v levnějších osobních a nákladních automobilech řidiči nadále bojovali s řadicí pákou při pohybu a řazení. Ve skutečnosti se řešení problému tohoto druhu nepříjemností hledalo mnohem dříve pomocí různých převodových struktur, zaměřených také na neustálý záběr párů ozubených kol a jejich připojení k hřídeli - v období od roku 1899 do roku 1910 De Dion Bouton vyvinul zajímavou převodovku, ve které jsou ozubená kola neustále v záběru a jejich spojení se sekundární hřídelí se provádí pomocí malých spojek. Panhard-Levasseur měl podobný vývoj, ale při jejich vývoji byly trvale zapojené převody pevně spojeny s hřídelí pomocí čepů. Konstruktéři samozřejmě nepřestali přemýšlet o tom, jak to řidičům usnadnit a ochránit auta před zbytečným poškozením. V roce 1914 se inženýři Cadillacu rozhodli, že by mohli využít sílu svých obrovských motorů a vybavit vozy nastavitelným koncovým pohonem, který by mohl elektricky řadit a měnit převodový poměr z 4,04: na 2,5: 1.

20. a 30. léta byla dobou neuvěřitelných vynálezů, které jsou součástí neustálého hromadění znalostí v průběhu let. Například v roce 1931 francouzská společnost Cotal vytvořila elektromagneticky řazenou manuální převodovku ovládanou malou páčkou na volantu, která byla zase kombinována s malou volnoběžnou páčkou umístěnou na podlaze. Poslední zmíněnou funkci zmiňujeme, protože umožňuje vozu mít přesně tolik rychlostních stupňů pro jízdu vpřed, jako jsou čtyři rychlostní stupně vzad. V té době se o Kotalův vynález zajímaly prestižní značky jako Delage, Delahaye, Salmson či Voisin. Kromě výše zmíněné bizarní a zapomenuté „výhody“ mnoha moderních převodů s pohonem zadních kol má tato neuvěřitelná převodovka také schopnost „interakce“ s automatickou převodovkou Fleschel, která řadí rychlostní stupně při poklesu rychlosti v důsledku zatížení motoru a ve skutečnosti je jeden z prvních pokusů o automatizaci procesu.

Většina automobilů z 40. a 50. let měla tři rychlostní stupně, protože motory nevyvíjely více než 4000 ot./min. S nárůstem otáček, točivého momentu a výkonových křivek již tři převody nepokrývaly rozsah otáček. Výsledkem byl disharmonický pohyb s charakteristickým „ohromujícím“ přenosem při zvedání a nadměrným tlakem při přeřazování na nižší. Logickým řešením problému byl masivní přechod na čtyřstupňové převody v 60. letech a první pětistupňové převodovky v 70. letech byly významným mezníkem pro výrobce, kteří hrdě zaznamenali přítomnost takové převodovky spolu s obrazem modelu na voze. Nedávno mi majitel klasického Opel Commodore řekl, že když kupoval auto, bylo na 3 rychlostní stupně a průměrně 20 l / 100 km. Když přeřadil převodovku na čtyřstupňovou, byla spotřeba 15 l / 100 km a poté, co konečně dostal pětistupňovou, tato klesla na 10 litrů.

Dnes neexistují prakticky žádná auta s méně než pěti rychlostními stupni a u vyšších verzí kompaktních modelů se standardem stává šest rychlostí. Šestým nápadem ve většině případů je silné snížení rychlosti při vysokých otáčkách a v některých případech, když to není tak dlouhé a snížení rychlosti při řazení klesá. Vícestupňové převodovky mají obzvláště pozitivní účinek na vznětové motory, jejichž jednotky mají vysoký točivý moment, ale výrazně snížený provozní rozsah kvůli základní povaze vznětového motoru.

(následovat)

Text: Georgy Kolev