Proovisõit Autode käigukastide ajalugu – 1. osa

Artiklite sarjas räägime teile sõidu- ja veoautode käigukastide ajaloost – võib-olla noogutusena esimese automaatkäigukasti loomise 75. aastapäeva puhul.

1993 Silverstone'is toimunud võistluseelsel testimisel lahkus Williamsi testisõitja David Coulthard rajalt järgmisele katsele uue Williams FW 15C-ga. Märjal kõnniteel pritsib auto igal pool, kuid ometi on kõigil kuulda kümnesilindrilise mootori kummalist monotoonset kiirhäält. Ilmselgelt kasutab Frank William teistsugust edastust. Valgustatuile on selge, et see pole midagi enamat kui vormel 1 mootori vajaduste rahuldamiseks loodud astmevaba käigukast.Hiljem selgus, et see on välja töötatud kõikjal levinud Van Doorni spetsialistide abiga. infektsiooni edasikandumine. Kaks vandenõu ettevõtet on sellesse projekti viimase nelja aasta jooksul panustanud tohutult inseneri- ja rahalisi ressursse, et luua täielikult toimiv prototüüp, mis võiks spordikuninganna dünaamika reeglid ümber kirjutada. Tänases YouTube'i videos saab näha selle mudeli katsetusi ning Coulthard ise väidab, et talle tema töö meeldib - eriti nurgas, kus pole vaja aega käigu alla vahetamisele raisata - kõige eest hoolitseb elektroonika. Kahjuks jäid kõik, kes projekti kallal töötasid, oma töö viljadest ilma. Seadusandjad keelasid kiiresti selliste pääsmete kasutamise vormelis, väidetavalt "ebaausa eelise" tõttu. Reegleid muudeti ja kiilrihm CVT või CVT käigukastid olid ajalugu ainult selle lühikese välimusega. Korpus on suletud ja Williams peaks naasma poolautomaatsete käigukastide juurde, mis on endiselt vormel 1 standardvarustuses ja mis omakorda muutusid revolutsiooniks 80ndate lõpus. Muide, veel 1965. aastal tegi Variomaticu käigukastiga DAF katseid autospordirajale siseneda, kuid toona oli mehhanism nii massiivne, et isegi ilma subjektiivsete tegurite sekkumiseta oli see määratud läbikukkumisele. Aga see on teine ​​lugu.

Oleme korduvalt toonud näiteid selle kohta, kui palju uuendusi kaasaegses autotööstuses annab vanade ideede tulemus, mis on sündinud äärmiselt andekate ja arukate inimeste peas. Käigukastid on oma mehaanilise iseloomu tõttu üks peamisi näiteid selle kohta, kuidas neid õigel ajal rakendada. Tänapäeval on täiustatud materjalide ja tootmisprotsesside ning e-valitsuse kombinatsioon loonud võimaluse uskumatult tõhusateks lahendusteks kõikides edastusvormides. Ühelt poolt suundumus väiksema tarbimise poole ja uute, väiksemate mõõtmetega mootorite eripära (näiteks vajadus kiiresti turboaukust üle saada) tingib vajaduse luua automaatkäigukastid, millel on laiem ülekandearv ja seega ka suur hulk käike. Nende taskukohasemad alternatiivid on väikeautode CVT -d, mida Jaapani autotootjad sageli kasutavad, ja automaatsed manuaalkäigukastid, näiteks Easytronic. Opel (ka väikeautodele). Paralleelsete hübriidsüsteemide mehhanismid on spetsiifilised ja heitkoguste vähendamise jõupingutuste osana toimub ajamite elektrifitseerimine tegelikult käigukastides.

Mootor ei saa ilma käigukastita

Siiani pole inimkond leiutanud tõhusamat viisi mehaanilise energia otseseks edastamiseks (välja arvatud muidugi hüdraulilised mehhanismid ja hübriidsüsteemid) kui meetodeid, mis kasutavad rihmasid, kette ja hammasrattaid. Muidugi on sellel teemal lugematuid variatsioone ja nende olemust saab paremini mõista, kui loetleda selle valdkonna viimaste aastate silmapaistvamad arengud.

Elektroonilise käiguvahetuse ehk juhtmehhanismi elektroonilise kaudse ühendamise kontseptsioon käigukastiga pole kaugeltki viimane hüüd, sest 1916. aastal lõi Pennsylvania Pullmani firma käigukasti, mis vahetab käike elektriliselt. Kasutades sama tööpõhimõtet täiustatud kujul, paigaldati see kakskümmend aastat hiljem avangardsesse Cord 812-sse - ühte futuristlikumasse ja imelisemasse autosse mitte ainult 1936. aastal, mil see loodi. Piisavalt märkimisväärne, et selle nööri võib leida tööstusdisaini saavutusi käsitleva raamatu kaanelt. Selle jõuülekanne edastab pöördemomendi mootorilt esiteljele (!) ja käiguvahetus on otse filigraanselt toonase roolisamba esituse jaoks, mis aktiveerib spetsiaalsed elektrilised lülitid, mis aktiveerivad vaakummembraanidega elektromagnetiliste seadmete keeruka süsteemi, sealhulgas käigud. Juhtmedisaineritel õnnestus see kõik edukalt kombineerida ja see töötab suurepäraselt mitte ainult teoorias, vaid ka praktikas. Käiguvahetuse ja siduri töö vahelise sünkroniseerimise seadistamine oli tõeline õudusunenägu ning tolleaegsete tõendite kohaselt oli võimalik saata mehaanik psühhiaatriahaiglasse. Cord oli aga luksusauto ja selle omanikud ei saanud endale lubada paljude kaasaegsete tootjate juhuslikku suhtumist selle protsessi täpsusesse - praktikas lülituvad enamik automatiseeritud (mida sageli nimetatakse robot- või poolautomaatseks) käigukasti iseloomuliku viivitusega, ja sageli tuuleiilid.

Keegi ei väida, et sünkroniseerimine on tänapäeval lihtsamate ja laiemalt levinud manuaalkäigukastide puhul palju lihtsam ülesanne, sest küsimus "Miks on üldse vaja sellist seadet kasutada?" Omab fundamentaalset iseloomu. Selle keeruka sündmuse, aga ka miljarditele ärinišši avamise põhjus peitub sisepõlemismootori olemuses. Erinevalt näiteks aurumasinast, kus silindritesse juhitava auru rõhk võib suhteliselt kergesti muutuda ning selle rõhk võib muutuda käivitamisel ja normaalsel töötamisel või elektrimootorist, mille puhul tekib tugev liikuv magnetväli. eksisteerib ka nullkiirusel. minutis (tegelikult on see siis kõige kõrgem ja elektrimootorite efektiivsuse vähenemise tõttu kiiruse suurenemisega arendavad kõik elektrisõidukite käigukastide tootjad praegu kaheastmelisi võimalusi) sisemine sisepõlemismootoril on omadus, mille puhul maksimaalne võimsus saavutatakse maksimumilähedastel pööretel ja maksimaalne pöördemoment - suhteliselt väikeses pööretevahemikus, kus toimuvad kõige optimaalsemad põlemisprotsessid. Samuti tuleb märkida, et tegelikus elus kasutatakse mootorit maksimaalse pöördemomendi kõveral (vastavalt maksimaalse võimsuse arengukõveral) harva. Kahjuks on pöördemoment madalatel pööretel minimaalne ja kui jõuülekanne on otse ühendatud, isegi siduriga, mis vabastab ja võimaldab käivitamist, ei saa auto kunagi teha selliseid toiminguid nagu käivitamine, kiirendamine ja laias kiirusevahemikus sõitmine. Siin on lihtne näide - kui mootor edastab oma kiirust 1: 1 ja rehvimõõt on 195/55 R 15 (praegu peakäigu olemasolust lahutades), siis teoreetiliselt peaks auto liikuma kiirusega 320 km. / h kiirusel 3000 väntvõlli pööret minutis. Muidugi on autodel otsesed või lähedased käigud ja isegi roomikkäigud, sel juhul tuleb võrrandisse ka viimane sõit ja sellega tuleb arvestada. Kui aga jätkame linnas tavapärase kiirusega 60 km / h sõitmise algset põhjendusloogikat, vajab mootor vaid 560 pööret minutis. Muidugi pole mootorit, mis oleks võimeline sellist nööri tegema. Üks detail on veel - kuna puhtfüüsikaliselt on võimsus otseselt võrdeline pöördemomendi ja kiirusega (selle valemit võib defineerida ka kiirusega x pöördemoment / teatud koefitsient) ja füüsilise keha kiirendus sõltub sellele rakendatavast jõust. . , mõistke antud juhul võimsust, on loogiline, et kiirema kiirenduse jaoks vajate suuremat kiirust ja suuremat koormust (st. pöördemoment). See kõlab keeruliselt, kuid praktikas tähendab see järgmist: iga juht, isegi see, kes tehnikast midagi ei mõista, teab, et autost kiireks möödasõiduks peate vahetama ühe või isegi kaks käiku madalamal. Seega annab see käigukastiga samal pedaalirõhul koheselt suuremaid pöördeid ja seetõttu rohkem jõudu. See on selle seadme ülesanne – võttes arvesse sisepõlemismootori omadusi, tagada selle töö optimaalses režiimis. Esimese käiguga 100 km / h kiirusega sõitmine on üsna ebaökonoomne ning rajale sobivana kuuendana on võimatu teele asuda. Pole juhus, et ökonoomne sõit nõuab varajast käiguvahetust ja mootori töötamist täiskoormusel (s.t. sõitmist veidi alla maksimaalse pöördemomendi kõvera). Eksperdid kasutavad mõistet "väike eritarbimine", mis on keskmises pöörete vahemikus ja maksimaalse koormuse lähedal. Seejärel avaneb bensiinimootorite drosselklapp laiemalt ja vähendab pumpamiskadusid, suurendab silindri rõhku ja parandab seeläbi keemiliste reaktsioonide kvaliteeti. Väiksemad kiirused vähendavad hõõrdumist ja võimaldavad rohkem aega täielikult täita. Võistlusautod sõidavad alati suurel kiirusel ja neil on suur arv käike (vormel 1-s kaheksa), mis võimaldab vahetamisel kiirust vähendada ja piirab üleminekut oluliselt väiksema võimsusega aladele.

Tegelikult saab hakkama ka ilma klassikalise käigukastita, kuid ...

Hübriidsüsteemide ja eriti hübriidsüsteemide, näiteks Toyota Priuse juhtum. Sellel autol ei ole ühtegi loetletud tüüpi käigukasti. Sellel pole praktiliselt käigukasti! See on võimalik, kuna eelmainitud puudused kompenseerib elektrisüsteem. Jõuülekannet asendab nn jõujaotur ehk planetaarülekanne, mis ühendab endas sisepõlemismootori ja kaks elektrimasinat. Inimestele, kes pole lugenud selle toimimise valikulist selgitust hübriidsüsteemide ja eriti Priuse loomise raamatutest (viimased on saadaval meie saidi ams.bg veebiversioonis), ütleme vaid, et mehhanism võimaldab osa sisepõlemismootori mehaanilisest energiast otse, mehaaniliselt ja osaliselt üle kanda, elektriliseks (ühe masina kui generaatori abil) ja uuesti mehaaniliseks (teise masina kui elektrimootori abil) . Selle Toyota (kelle algidee oli 60ndatest pärit Ameerika firma TRW) loomingu geenius seisneb kõrge käivitusmomendi tagamises, mis väldib vajadust väga madalate käikude järele ja võimaldab mootoril töötada tõhusatel režiimidel. maksimaalsel koormusel, simuleerides kõrgeimat võimalikku käiku, kusjuures elektrisüsteem toimib alati puhvrina. Kui on vaja simuleerida kiirendust ja allakäiguvahetust, suurendatakse mootori pöörlemiskiirust generaatori juhtimisega ja vastavalt ka selle kiirusega, kasutades keerukat elektroonilist voolu juhtimissüsteemi. Kõrgeid käike simuleerides peavad isegi kaks autot mootori pöörete piiramiseks rolle vahetama. Sel hetkel lülitub süsteem "jõuringluse" režiimi ja selle efektiivsus väheneb oluliselt, mis seletab seda tüüpi hübriidsõidukite kütusekulu teravat kuvamist suurtel kiirustel. Seega on see tehnoloogia praktikas linnaliikluse jaoks mugav kompromiss, kuna on ilmne, et elektrisüsteem ei suuda täielikult kompenseerida klassikalise käigukasti puudumist. Selle probleemi lahendamiseks kasutavad Honda insenerid oma uues keerukas hübriidhübriidsüsteemis lihtsat, kuid geniaalset lahendust, et konkureerida Toyotaga – nad lisavad lihtsalt kuuenda manuaalkäigukasti, mis lülitub sisse suure kiirusega hübriidmehhanismi asemele. Kõik see võib olla piisavalt veenev, et näidata vajadust käigukasti järele. Muidugi, võimaluse korral suure hulga käikude korral - tõsiasi on see, et käsitsi juhtimisega pole juhil lihtsalt mugav omada palju käike ja hind tõuseb. Hetkel on sellised 7-käigulised manuaalkäigukastid nagu Porschel (põhineb DSG-l) ja Chevrolet Corvettedel üsna haruldased.

Kõik algab kettidest ja vöödest

Niisiis, erinevad tingimused nõuavad vajaliku võimsuse teatud väärtusi, sõltuvalt kiirusest ja pöördemomendist. Ja selles võrrandis on mootori tõhusa töö ja vähenenud kütusekulu vajadus lisaks kaasaegsele mootoritehnoloogiale üha olulisemaks väljakutseks.

Loomulikult on esimene probleem käivitamine - esimestel sõiduautodel oli käigukasti enim levinud jalgrattalt laenatud kettülekanne või erineva läbimõõduga rihmaratastel toimiv rihmülekanne. Praktikas rihmülekandes ebameeldivaid üllatusi ei tulnud. See mitte ainult ei olnud sama lärmakas kui tema ketipartnerid, vaid ei suutnud ka hambaid murda, mis oli teada primitiivsetest käigukastidest, mida autojuhid tol ajal nimetasid "käigukasti salatiks". Alates sajandivahetusest on tehtud katseid nn hõõrdeveoga, millel pole sidurit ega käike ning mille toroidsetes käigukastides kasutatakse Nissanit ja Mazdat (millest tuleb juttu hiljem). Hammasrataste alternatiividel oli aga ka mitmeid tõsiseid puudusi – rihmad ei pidanud vastu pikemale koormusele ja kasvavatele kiirustele, need läksid kiiresti lahti ja rebenesid ning hõõrdrataste "padjad" kulusid liiga kiiresti. Igal juhul muutusid käigud vahetult pärast autotööstuse algust vajalikuks ja jäid selles etapis ainsaks võimaluseks pöördemomendi edastamiseks üsna pikaks ajaks.

Mehaanilise jõuülekande sünd

Leonardo da Vinci kavandas ja valmistas hammasrattaid oma mehhanismide jaoks, kuid tugevate, mõistlikult täpsete ja vastupidavate hammasrataste tootmine sai võimalikuks alles 1880. aastal tänu sobivate metallurgiatehnoloogiate olemasolule kvaliteetsete teraste ja metallitöötlemismasinate loomiseks. suhteliselt kõrge töö täpsus. Käikude hõõrdekadu on vähendatud vaid 2 protsendini! See oli hetk, mil nad muutusid käigukasti osana hädavajalikuks, kuid probleem jäi nende ühendamisele ja üldmehhanismi paigutamisele. Uuendusliku lahenduse näiteks on 1897. aasta Daimler Phoenix, milles erineva suurusega hammasrattad "monteeriti" tõeliseks, tänase arusaama kohaselt käigukastiks, millel on lisaks neljale kiirusele ka tagasikäik. Kaks aastat hiljem sai Packardist esimene ettevõte, kes kasutas käigukangi tuntud positsioneerimist H-tähe otstes. Järgnevatel aastakümnetel käiku enam polnud, kuid mehhanisme täiustati lihtsama töö nimel. Carl Benz, kes varustas oma esimesed seeriaautod planeedikäigukastiga, elas üle esimesed sünkroniseeritud käigukastid, mille Cadillac ja La Salle töötasid välja 1929. aastal. Kaks aastat hiljem kasutasid sünkroniseerijaid juba Mercedes, Mathis, Maybach ja Horch ning seejärel veel üks Vauxhall, Ford ja Rolls-Royce. Üks detail – kõigil oli sünkroniseerimata esimene käik, mis tüütas juhte kõvasti ja nõudis erioskusi. Esimest täielikult sünkroniseeritud käigukasti kasutas inglane Alvis Speed ​​Twenty 1933. aasta oktoobris ja selle lõi kuulus Saksa ettevõte, mis kannab siiani nime "Gear Factory" ZF, millele me oma loos sageli viidame. Alles 30. aastate keskpaigas hakati sünkronisaatoreid teiste kaubamärkide külge paigaldama, kuid odavamatel autodel ja veoautodel jätkasid autojuhid võitlust käigukangiga, et liikuda ja käike vahetada. Tegelikult otsiti sedalaadi ebamugavuste probleemile lahendust juba palju varem erinevate jõuülekandestruktuuride abil, mille eesmärk oli ka pidev hammasrataste paaride omavahel sidumine ja nende võlliga ühendamine - ajavahemikul 1899–1910, De Dion Bouton töötas välja huvitava jõuülekande, milles hammasrattad on pidevalt ühendatud ja nende ühendamine sekundaarvõlliga toimub väikeste haakeseadiste abil. Panhard-Levasseuril oli sarnane areng, kuid nende arendamisel olid püsivalt ühendatud hammasrattad tihvtide abil kindlalt võlliga ühendatud. Disainerid muidugi ei lakanud mõtlemast, kuidas autojuhtidele lihtsamaks teha ja autosid tarbetute kahjustuste eest kaitsta. Aastal 1914 otsustasid Cadillaci insenerid, et nad saavad kasutada oma tohutute mootorite võimsust ja varustada autod reguleeritava lõppajamiga, mis võib elektriliselt vahetada ja muuta ülekandearvu 4,04: 2,5: 1.

20-30ndad olid uskumatute leiutiste aeg, mis on osa pidevast teadmiste kogumisest aastate jooksul. Näiteks 1931. aastal lõi Prantsuse firma Cotal elektromagnetiliselt nihutatud manuaalkäigukasti, mida juhib väike roolil asuv hoob, mis omakorda kombineeriti põrandale asetatud väikese tühikäiguhoovaga. Nimetame viimast omadust, kuna see võimaldab autol olla täpselt sama palju edasikäike kui on neli tagasikäiku. Sel ajal tundsid Kotali leiutise vastu huvi mainekad kaubamärgid nagu Delage, Delahaye, Salmson ja Voisin. Lisaks eelmainitud veidrale ja unustatud paljude kaasaegsete tagaveoliste käikude "eelisele" on sellel uskumatul käigukastil ka võime "koostoimida" Flescheli automaatkäigukangiga, mis vahetab käike mootori koormuse tõttu kiiruse langedes ja on tegelikult üks esimesi katseid protsessi automatiseerida.

Enamikul 40–50-aastastel autodel oli kolm käiku, sest mootorid ei töötanud üle 4000 p / min. Pöörete, pöördemomendi ja võimsuskõverate suurenemisega ei katnud kolm käiku enam pöörete vahemikku. Tulemuseks oli ebaharmooniline liikumine, millel oli iseloomulik "uimastav" ülekanne tõstmisel ja ülemäärane sundimine madalamale üleminekul. Probleemi loogiliseks lahenduseks oli massiivne üleminek neljakäigulistele käikudele 60ndatel aastatel ja esimesed viiekäigulised käigukastid 70ndatel olid märkimisväärne verstapost tootjatele, kes märkisid uhkusega sellise käigukasti olemasolu koos mudelipildiga autol. Hiljuti ütles klassikalise Opel Commodore omanik mulle, et kui ta auto ostis, oli see 3 käiguga ja keskmiselt 20 l / 100 km. Kui ta käigukasti neljakäigulise käigukasti vastu asendas, oli kulu 15 l / 100 km ja kui ta lõpuks sai viiekäigulise, langes viimane 10 liitrini.

Tänapäeval pole praktiliselt ühtegi alla viie käiguga autot ja kompaktsete mudelite kõrgemates versioonides on normiks saamas kuus kiirust. Kuues idee on enamikul juhtudel kiiruse tugev vähendamine suurtel pööretel ja mõnel juhul, kui see pole nii pikk ja käiguvahetusel kiiruse langus langeb. Mitmeastmelistel ülekannetel on eriti positiivne mõju diiselmootoritele, mille agregaatide pöördemoment on küll suur, kuid diiselmootori põhiolemuse tõttu on tööulatus märkimisväärselt vähenenud.

(järgima)

Tekst: Georgy Kolev