Test Drive La història de les transmissions automotrius - Part 1

En una sèrie d'articles us parlarem de la història de les transmissions per a automòbils i camions, potser com a picada d'ullet amb motiu del 75è aniversari de la creació de la primera transmissió automàtica.

1993 Durant les proves prèvies a la cursa a Silverstone, el pilot de proves de Williams David Coulthard va abandonar la pista per a la següent prova amb el nou Williams FW 15C. A la vorera humida, el cotxe esquitxa per tot arreu, però tot i així tothom pot escoltar l'estrany so monòton d'alta velocitat d'un motor de deu cilindres. Òbviament, Frank William utilitza un tipus de transmissió diferent. Els il·lustrats tenen clar que no es tracta més que d'una transmissió contínuament variable dissenyada per satisfer les necessitats d'un motor de Fórmula 1. Més tard va resultar que es va desenvolupar amb l'ajuda dels omnipresents especialistes de Van Doorn. transmissió de la infecció. Les dues empreses conspiradores han invertit enormes recursos financers i d'enginyeria en aquest projecte durant els últims quatre anys per crear un prototip totalment funcional que podria reescriure les regles de la dinàmica de la reina de l'esport. Al vídeo de YouTube d'avui es poden veure les proves d'aquest model, i el mateix Coulthard afirma que li agrada la seva feina -sobretot a la cantonada, on no cal perdre el temps reduint-se-, tot s'encarrega de l'electrònica. Malauradament, tots els que van treballar en el projecte van perdre els fruits del seu treball. Els legisladors van prohibir ràpidament l'ús d'aquest tipus de passis a la Fórmula, suposadament a causa d'un "avantatge injust". Es van canviar les regles i les transmissions CVT o CVT amb corretja en V eren història amb només aquesta breu aparició. El cas està tancat i Williams hauria de tornar a les transmissions semiautomàtiques, que encara són estàndard a la Fórmula 1 i que, al seu torn, es van convertir en una revolució a finals dels anys 80. Per cert, l'any 1965, DAF amb la transmissió Variomatic va intentar entrar a la pista d'automobilisme, però en aquell moment el mecanisme era tan massiu que fins i tot sense la intervenció de factors subjectius estava condemnat al fracàs. Però això és una altra història.

Hem citat repetidament exemples de quanta innovació en la indústria automobilística moderna és el resultat de velles idees nascudes en el cap de persones extremadament dotades i exigents. Per la seva naturalesa mecànica, les caixes de canvis són un dels primers exemples de com es poden implementar quan sigui el moment adequat. Actualment, la combinació de materials avançats, processos de fabricació i administració electrònica ha creat l’oportunitat de solucions increïblement efectives en totes les formes de transmissió. La tendència cap a un consum inferior per una banda i l’especificitat dels motors nous amb dimensions reduïdes (per exemple, la necessitat de superar ràpidament un forat turbo) condueixen a la necessitat de crear transmissions automàtiques amb una gamma més àmplia de relacions de transmissió i, en conseqüència, un gran nombre d’engranatges. Les seves alternatives més assequibles són els CVT per a vehicles petits, sovint utilitzats per fabricants d'automòbils japonesos, i les transmissions manuals automàtiques com Easytronic. Opel (també per a cotxes petits). Els mecanismes dels sistemes híbrids paral·lels són específics i, com a part dels esforços per reduir les emissions, l’electrificació del motor es produeix realment en les transmissions.

Un motor no pot prescindir d’una caixa de canvis

Fins ara, la humanitat no ha inventat una manera més eficient de transmissió directa d’energia mecànica (excepte, per descomptat, els mecanismes hidràulics i els sistemes elèctrics híbrids) que els mètodes que fan servir corretges, cadenes i engranatges. Per descomptat, hi ha innombrables variacions sobre aquest tema i podeu entendre millor la seva essència enumerant els desenvolupaments més destacats en aquesta àrea en els darrers anys.

El concepte de canvi electrònic, o connexió indirecta electrònica del mecanisme de control a la caixa de canvis, està lluny de ser l'últim crit, perquè l'any 1916 l'empresa Pullman de Pennsilvània va crear una caixa de canvis que canvia de marxa elèctricament. Utilitzant el mateix principi de funcionament en una forma millorada, vint anys més tard es va instal·lar a l'avantguarda Cord 812, un dels cotxes més futuristes i meravellosos, no només el 1936, quan es va crear. És prou significatiu que aquest cordó es pugui trobar a la portada d'un llibre sobre els assoliments del disseny industrial. La seva transmissió transmet el parell del motor a l'eix davanter (!), i el canvi de marxes és de filigrana directa per a la representació aleshores de la columna de direcció, que activa interruptors elèctrics especials que activen un complex sistema de dispositius electromagnètics amb diafragmes de buit, inclosos els engranatges. Els dissenyadors de cables van aconseguir combinar tot això amb èxit i funciona molt bé no només en teoria, sinó també a la pràctica. Va ser un autèntic malson establir la sincronització entre el canvi de marxes i el funcionament de l'embragatge i, segons l'evidència de l'època, era possible enviar un mecànic a un hospital psiquiàtric. Tanmateix, el Cord era un cotxe de luxe i els seus propietaris no podien permetre's l'actitud casual de molts fabricants moderns davant la precisió d'aquest procés; a la pràctica, la majoria de transmissions automatitzades (sovint anomenades robòtiques o semiautomàtiques) canvien amb un retard característic, i sovint ràfegues.

Ningú afirma que la sincronització és una tasca molt més fàcil amb les transmissions manuals més senzilles i esteses avui dia, perquè la pregunta "Per què és necessari utilitzar aquest dispositiu?" Té un caràcter fonamental. La raó d’aquest desafiant esdeveniment, però també obrir un nínxol de negoci per milers de milions, rau en la naturalesa mateixa del motor de combustió. A diferència, per exemple, d'una màquina de vapor, on la pressió del vapor subministrat als cilindres pot canviar amb relativa facilitat, i la seva pressió pot canviar durant l'arrencada i el funcionament normal, o d'un motor elèctric, en el qual un fort camp magnètic de conducció. també existeix a velocitat zero.per minut (de fet, llavors és la més alta, i a causa de la disminució de l'eficiència dels motors elèctrics amb l'augment de la velocitat, tots els fabricants de transmissions per a vehicles elèctrics estan desenvolupant actualment opcions de dues etapes) un intern El motor de combustió té una característica en què la potència màxima s'aconsegueix a velocitats properes al màxim, i el parell màxim - en un rang de velocitats relativament petit, en el qual es produeixen els processos de combustió més òptims. També cal tenir en compte que, a la vida real, el motor poques vegades s’utilitza a la corba de parell màxim (respectivament, a la corba de desenvolupament de potència màxima). Malauradament, el parell a baixes revolucions és mínim i, si la transmissió està connectada directament, fins i tot amb un embragatge que es desactiva i permet arrencar, el cotxe mai no podrà realitzar activitats com arrencar, accelerar i conduir a un ampli rang de velocitat. Aquí hi ha un exemple senzill: si el motor transmet la seva velocitat 1: 1 i la mida del pneumàtic és 195/55 R 15 (per ara, abstraint-se de la presència de l'engranatge principal), llavors teòricament el cotxe hauria de moure's a una velocitat de 320 km. / h a 3000 revolucions de cigonyal per minut. Per descomptat, els cotxes tenen marxes directes o tancades i fins i tot engranatges de cadenes, en aquest cas la transmissió final també entra a l’equació i s’ha de tenir en compte. Tot i això, si continuem amb la lògica original del raonament sobre la conducció a una velocitat normal de 60 km / h a la ciutat, el motor només necessitarà 560 rpm. Per descomptat, no hi ha cap motor capaç de fer aquest cordill. Hi ha un detall més: perquè, purament físicament, la potència és directament proporcional al parell i la velocitat (la seva fórmula també es pot definir com a velocitat x parell / un determinat coeficient), i l'acceleració d'un cos físic depèn de la força que s'hi aplica. . , entenguem, en aquest cas, la potència, és lògic que per a una acceleració més ràpida necessiteu velocitats més altes i més càrrega (és a dir, parell motor). Sembla complicat, però a la pràctica això significa el següent: tots els conductors, fins i tot aquells que no entenen res en tecnologia, saben que per avançar ràpidament un cotxe cal canviar una o dues velocitats més avall. Per tant, és amb la caixa de canvis que proporciona instantàniament revolucions més altes i, per tant, més potència per a aquest propòsit amb el mateix grau de pressió del pedal. Aquesta és la tasca d'aquest dispositiu, tenint en compte les característiques del motor de combustió interna, per garantir el seu funcionament en el mode òptim. Conduir a primera velocitat a 100 km / h serà bastant poc econòmic, i a la sisena marxa, adequada per a la pista, és impossible iniciar-la. No és casual que una conducció econòmica requereixi canvis de marxes primerencs i que el motor funcioni a plena càrrega (és a dir, condueixi lleugerament per sota de la corba de parell màxim). Els experts utilitzen el terme "baix consum específic d'energia", que es troba al rang de revolucions mitjà i proper a la càrrega màxima. A continuació, la vàlvula d’acceleració dels motors de gasolina s’obre més i redueix les pèrdues de bombament, augmenta la pressió dels cilindres i, per tant, millora la qualitat de les reaccions químiques. Les velocitats més baixes redueixen la fricció i permeten més temps per omplir completament. Els cotxes de carreres sempre funcionen a gran velocitat i tenen un gran nombre de marxes (vuit a la Fórmula 1), cosa que permet reduir la velocitat en desplaçar-se i limita la transició a zones amb molta menys potència.

De fet, pot prescindir d’una caixa de canvis clàssica, però ...

El cas dels sistemes híbrids i en particular dels sistemes híbrids com el Toyota Prius. Aquest cotxe no té cap transmissió de cap dels tipus enumerats. No té pràcticament cap caixa de canvis! Això és possible perquè les mancances esmentades anteriorment són compensades pel sistema elèctric. La transmissió es substitueix per un anomenat power splitter, un engranatge planetari que combina un motor de combustió interna i dues màquines elèctriques. Per a les persones que no hagin llegit l'explicació selectiva del seu funcionament en llibres sobre sistemes híbrids i especialment sobre la creació del Prius (aquests últims estan disponibles a la versió en línia del nostre lloc ams.bg), només direm que el mecanisme permet part de l'energia mecànica del motor de combustió interna que es transferirà directament, mecànica i parcialment, es convertirà en elèctrica (amb l'ajuda d'una màquina com a generador) i de nou en mecànica (amb l'ajuda d'una altra màquina com a motor elèctric) . El geni d'aquesta creació de Toyota (la idea original de la qual va ser l'empresa nord-americana TRW dels anys 60) és proporcionar un parell d'arrencada elevat, que evita la necessitat de marxes molt baixes i permet que el motor funcioni en modes eficients. a màxima càrrega, simulant la marxa més alta possible, amb el sistema elèctric sempre actuant com a amortidor. Quan es requereix simulació d'acceleració i canvi de velocitat, la velocitat del motor s'incrementa controlant el generador i, en conseqüència, mitjançant la seva velocitat mitjançant un sofisticat sistema electrònic de control de corrent. Quan es simula velocitats altes, fins i tot dos cotxes han de canviar de rol per limitar la velocitat del motor. En aquest punt, el sistema entra en mode de "circulació de potència" i la seva eficiència es redueix notablement, la qual cosa explica la visualització nítida del consum de combustible d'aquest tipus de vehicles híbrids a altes velocitats. Així, aquesta tecnologia és a la pràctica un compromís convenient per al trànsit urbà, ja que és obvi que el sistema elèctric no pot compensar totalment l'absència d'una caixa de canvis clàssica. Per resoldre aquest problema, els enginyers d'Honda estan utilitzant una solució senzilla però enginyosa en el seu nou sofisticat sistema híbrid híbrid per competir amb Toyota: simplement afegeixen una sisena transmissió manual que s'enganxa en lloc del mecanisme híbrid d'alta velocitat. Tot això pot ser prou convincent per mostrar la necessitat d'una caixa de canvis. Per descomptat, si és possible amb un gran nombre d'engranatges, el fet és que amb el control manual simplement no serà còmode per al conductor tenir un gran nombre i el preu augmentarà. De moment, les transmissions manuals de 7 velocitats com les que es troben a Porsche (basades en DSG) i Chevrolet Corvette són força rares.

Tot comença amb cadenes i cinturons

Per tant, diferents condicions requereixen certs valors de la potència necessària en funció de la velocitat i el parell. I en aquesta equació, la necessitat d'un funcionament eficient del motor i un consum reduït de combustible, a més de la tecnologia del motor moderna, la transmissió s'està convertint en un repte cada vegada més important.

Naturalment, el primer problema que sorgeix és començar: en els primers turismes, la forma més comuna de caixa de canvis era una transmissió per cadena, prestada d'una bicicleta, o una transmissió per corretja que actuava sobre politges de corretja de diferents diàmetres. A la pràctica, no hi va haver sorpreses desagradables en la transmissió per corretja. No només era tan sorollós com els seus socis de cadena, sinó que tampoc podia trencar les dents, cosa que es coneixia pels mecanismes d'engranatges primitius que els conductors de l'època denominaven "enciam de transmissió". Des del tombant de segle s'han dut a terme experiments amb l'anomenada "tracció de rodes de fricció", que no té embragatge ni engranatges, i utilitza Nissan i Mazda en les seves caixes de canvis toroidals (que es comentarà més endavant). Tanmateix, les alternatives a les rodes d'engranatge també tenien una sèrie de greus inconvenients: els cinturons no podien suportar càrregues prolongades i velocitats creixents, ràpidament es van deixar anar i es van trencar i les "coixinets" de les rodes de fricció estaven sotmeses a un desgast massa ràpid. En qualsevol cas, poc després de l'aparició de la indústria de l'automòbil, els engranatges es van fer necessaris i van continuar sent l'única opció en aquesta etapa per transmetre el parell durant un període de temps força llarg.

El naixement d’una transmissió mecànica

Leonardo da Vinci va dissenyar i fabricar engranatges per als seus mecanismes, però la producció d’engranatges forts, raonablement precisos i duradors només es va fer possible el 1880 gràcies a la disponibilitat de les tecnologies metal·lúrgiques adequades per crear acers i màquines per treballar els metalls d’alta qualitat. relativament alta precisió del treball. La pèrdua per fricció dels engranatges s’ha reduït a només un 2%. Aquest va ser el moment en què es van convertir en indispensables com a element de la caixa de canvis, però el problema es va mantenir amb la seva unificació i col·locació en el mecanisme general. Un exemple de solució innovadora és el Daimler Phoenix de 1897, en què es van "muntar" engranatges de diverses mides en una caixa de canvis real, segons entenem avui, que, a més de quatre velocitats, també té marxa enrere. Dos anys després, Packard es va convertir en la primera empresa a utilitzar el conegut posicionament de la palanca de canvis als extrems de la lletra "H". En les dècades següents, els engranatges ja no van ser, però es van continuar millorant els mecanismes en nom de la feina més fàcil. Carl Benz, que va equipar els seus primers cotxes de producció amb una caixa de canvis planetària, va sobreviure a les primeres caixes de canvis sincronitzades desenvolupades per Cadillac i La Salle el 1929. Dos anys després, Mercedes, Mathis, Maybach i Horch ja utilitzaven sincronitzadors, seguits d’un altre Vauxhall, Ford i Rolls-Royce. Un detall: tots tenien una primera marxa no sincronitzada, que va molestar molt als conductors i requeria habilitats especials. La primera caixa de canvis totalment sincronitzada va ser utilitzada per l’anglès Alvis Speed ​​Twenty a l’octubre de 1933 i va ser creada per la famosa empresa alemanya, que encara porta el nom de "Gear Factory" ZF, a la qual sovint farem referència a la nostra història. No va ser fins a mitjan dècada de 30 que es van començar a instal·lar sincronitzadors en altres marques, però en cotxes i camions més econòmics els conductors van continuar lluitant amb la palanca de canvis per moure’s i canviar de marxa. De fet, una solució al problema d'aquest tipus d'inconvenients es va buscar molt abans amb l'ajuda de diverses estructures de transmissió, també destinades a engranar constantment parells d'engranatges i connectar-los a l'eix - en el període de 1899 a 1910, De Dion Bouton va desenvolupar una interessant transmissió en la qual els engranatges s'engranen constantment i la seva connexió a l'eix secundari es realitza mitjançant petits acoblaments. Panhard-Levasseur va tenir un desenvolupament similar, però en el seu desenvolupament, els engranatges en contacte permanent es van connectar fermament a l’eix mitjançant pins. Els dissenyadors, per descomptat, no van deixar de pensar en com facilitar als conductors i protegir els cotxes de danys innecessaris. El 1914, els enginyers de Cadillac van decidir que podrien aprofitar la potència dels seus enormes motors i equipar els cotxes amb una unitat final variable que pogués canviar elèctricament i canviar la relació d’engranatges de 4,04: a 2,5: 1.

Els anys 20 i 30 van ser una època d'invencions increïbles que formen part de l'acumulació constant de coneixement al llarg dels anys. Per exemple, l'any 1931, l'empresa francesa Cotal va crear una transmissió manual desplaçada electromagnèticament controlada per una petita palanca al volant, que, al seu torn, es combinava amb una petita palanca de ralentí col·locada al terra. Esmentem aquesta última característica perquè permet que el cotxe tingui exactament tantes marxes endavant com quatre marxes enrere. En aquella època, marques prestigioses com Delage, Delahaye, Salmson i Voisin estaven interessades per l'invent de Kotal. A més de l'esmentat "avantatge" estrany i oblidat de molts engranatges moderns de tracció posterior, aquesta increïble caixa de canvis també té la capacitat de "interaccionar" amb un canviador automàtic Fleschel que canvia de marxa a mesura que la velocitat baixa a causa de la càrrega del motor i, de fet, és un dels primers intents d'automatitzar el procés.

La majoria dels cotxes dels anys 40 i 50 tenien tres marxes perquè els motors no desenvolupaven més de 4000 rpm. Amb l’augment de revolucions, parell i corbes de potència, els tres engranatges ja no cobrien el rang de revolucions. El resultat va ser un moviment desharmònic amb una transmissió "impressionant" característica en aixecar-se i un forçament excessiu en passar a una inferior. La solució lògica al problema va ser el canvi massiu a marxes de quatre velocitats als anys 60, i les primeres caixes de canvis de cinc velocitats dels anys 70 van ser una fita important per als fabricants, que van destacar amb orgull la presència d’aquesta caixa de canvis juntament amb la imatge del model al cotxe. Recentment, el propietari d’un clàssic Opel Commodore em va dir que quan va comprar el cotxe tenia 3 marxes i una mitjana de 20 l / 100 km. Quan va canviar la caixa de canvis per una de quatre velocitats, el consum era de 15 l / 100 km i, després d’aconseguir-ne una de cinc, la darrera va caure a 10 litres.

Avui dia pràcticament no hi ha cotxes amb menys de cinc marxes i les sis velocitats s’estan convertint en la norma en versions superiors de models compactes. La sisena idea en la majoria dels casos és una forta reducció de la velocitat a revolucions elevades i, en alguns casos, quan no és tan llarga i la reducció de la velocitat disminueix en canviar. Les transmissions de diverses etapes tenen un efecte particularment positiu en els motors dièsel, les unitats dels quals tenen un parell elevat, però amb un abast de funcionament significativament reduït a causa de la naturalesa fonamental del motor dièsel.

(seguir)

Text: Georgy Kolev