试驾汽车变速箱的历史 - 第 1 部分
在一系列文章中，我们将向您介绍汽车和卡车变速器的历史 - 也许是为了纪念第一台自动变速器诞生 75 周年。
1993 在银石赛道的赛前测试期间，威廉姆斯试车手大卫库特哈德驾驶全新威廉姆斯 FW 15C 离开赛道进行下一次测试。 湿漉漉的路面上，车子溅得到处都是，但每个人都能听到十缸发动机奇异单调的高速运转声。 显然，弗兰克威廉使用了一种不同的传输方式。 懂行的人都清楚，这不过是为满足一级方程式发动机的需求而设计的无级变速器，后来才透露，它是在无处不在的 Van Doorn 专家的帮助下开发的。 感染的传播。 这两家密谋的公司在过去四年里为这个项目投入了大量的工程和财政资源，以创建一个功能齐全的原型，可以改写运动女王的动力学规则。 在今天的 YouTube 视频中，您可以看到该模型的测试，库特哈德本人声称他喜欢她的工作 - 尤其是在角落里，不需要浪费时间降档 - 一切都由电子设备处理。 不幸的是，参与该项目的每个人都失去了他们的劳动成果。 立法者很快禁止在方程式中使用此类通行证，据称是由于“不公平的优势”。 规则发生了变化，V 型皮带 CVT 或 CVT 变速箱仅出现了这么短的时间就成为了历史。 案件结束，威廉姆斯应该回归半自动变速器，这仍然是一级方程式赛车的标准配置，而这又在 1 年代后期成为一场革命。 顺便说一下，早在 1 年，配备 Variomatic 变速箱的 DAF 就曾尝试进入赛车赛道，但当时该机构过于庞大，即使没有主观因素的干预也注定要失败。 不过那是另一回事了。
我们曾多次引用例子，说明现代汽车行业的创新有多少是极有天赋和眼光敏锐的人头脑中诞生的旧思想的结果。 由于其机械性质，齿轮箱是在适当的时候如何实施它们的主要例子之一。 如今，先进材料、制造工艺和电子政务的结合为各种形式的传输提供了极其有效的解决方案。 一方面，降低油耗的趋势以及尺寸减小的新发动机的特殊性（例如，需要快速克服涡轮孔）导致需要制造具有更宽传动比范围的自动变速器，因此，大量的齿轮。 他们更实惠的替代品是日本汽车制造商经常使用的小型汽车 CVT 和 Easytronic 等自动手动变速器。 欧宝（也适用于小型汽车）。 并联混合动力系统的机制是特定的，作为减排努力的一部分，驱动电气化实际上发生在变速器中。
没有变速箱，发动机无法做到
迄今为止，人类还没有发明一种比使用皮带，链条和齿轮的方法更有效的直接传递机械能的方法（当然，液压机构和混合动力系统除外）。 当然，此主题有无数种变化，您可以通过列出近年来该领域最杰出的进展来更好地理解它们的本质。
电子换档的概念，或控制机构与变速箱的电子间接连接，远未成为最后的呼声，因为在 1916 年，宾夕法尼亚州的 Pullman 公司创造了一种电动换档的变速箱。 二十年后，它以改进的形式使用相同的工作原理，安装在前卫的 Cord 812 中——不仅在 1936 年诞生时，它还是最具未来感和最出色的汽车之一。 能在一本介绍工业设计成就的书的封面上找到这条绳索，这已经足够重要了。 它的变速箱将扭矩从发动机传输到前轴（！），而换档装置则直接代表转向柱，它会激活特殊的电气开关，从而激活带有真空膜片的复杂电磁装置系统，包括齿轮。 Cord 设计师设法将所有这些成功地结合起来，它不仅在理论上而且在实践中都非常有效。 在变速和离合器操作之间建立同步是一个真正的噩梦，而且根据当时的证据，有可能将机械师送到精神病院。 然而，Cord 是一辆豪华汽车，它的车主无法承受许多现代制造商对这一过程的准确性的漫不经心的态度 - 实际上，大多数自动（通常称为机器人或半自动）变速器的换档具有特征性延迟，并且经常阵风。
没有人声称同步是一项更简单、更广泛的手动变速箱的任务，因为问题是“为什么有必要使用这样的设备？” 具有基本特征。 发生这种复杂事件的原因，但同时也打开了数十亿美元的业务利基，在于内燃机的本质。 例如，不像蒸汽机，供应给汽缸的蒸汽压力可以相对容易地改变，并且它的压力可以在启动和正常运行期间改变，或者来自电动机，其中强驱动磁场也存在于零速度。每分钟（实际上，它是最高的，并且由于电动机的效率随着速度的增加而降低，所有电动汽车变速器制造商目前都在开发两级选项）内部内燃机具有这样的特性，即在接近最大速度时可获得最大功率，而在相对较小的速度范围内可获得最大扭矩，此时会发生最佳燃烧过程。 还应注意，在现实生活中，很少在最大扭矩曲线上（分别在最大功率发展曲线上）使用发动机。 不幸的是，低转速时的扭矩极小，即使直接连接变速箱，即使离合器已分离并允许起步，汽车也将永远无法在宽速范围内执行起步，加速和驾驶等动作。 这是一个简单的例子——如果发动机以 1:1 的速度传输，轮胎尺寸为 195/55 R 15（现在，从主齿轮的存在中抽象出来），那么理论上汽车应该以以下速度行驶320 公里。 / h，每分钟3000曲轴转数。 当然，汽车具有直接或闭合齿轮，甚至包括履带齿轮，在这种情况下，最终传动也应纳入考虑范围，必须予以考虑。 但是，如果我们继续以60 km / h的正常速度行驶在城市中进行推理的原始逻辑，那么发动机将仅需要560 rpm。 当然，没有电动机能够进行这种缠绕。 还有一个细节——因为，纯物理上，功率与扭矩和速度成正比（其公式也可以定义为速度 x 扭矩 / 某个系数），而物体的加速度取决于施加在其上的力. 请理解，在这种情况下，功率是合乎逻辑的，为了更快地加速，您将需要更高的速度和更多的负载（即 扭矩）。 听起来很复杂，但实际上这意味着：每个驾驶员，甚至是一个不懂任何技术的驾驶员，都知道为了快速超越汽车，您需要降低一个或两个档位。 因此，变速箱能够在相同的踏板压力下立即提供更高的转速，从而实现更高的动力。 这是该设备的任务 - 考虑到内燃机的特性，以确保其以最佳模式运行。 一档以100 km / h的速度行驶将是非常不经济的，而第六档适合该赛道，这是不可能的。 经济驾驶要求尽早换档并且发动机在满负载下运行（即驾驶略低于最大扭矩曲线）并非巧合。 专家使用术语“低比能耗”，该术语处于中等转速范围内，接近最大负载。 然后，汽油发动机的节气门打开得更宽，减少了泵送损失，增加了汽缸压力，从而提高了化学反应的质量。 较慢的速度可减少摩擦并允许更多时间完全充满。 赛车始终以较高的速度行驶，并且具有大量的档位（在公式1中为XNUMX），这可以在换档时降低速度，并将过渡范围限制在动力明显较小的区域。
实际上，它不需要传统的变速箱，但是...
混合动力系统的案例，特别是混合动力系统，例如丰田普锐斯。 这辆车没有任何列出类型的变速箱。 它几乎没有变速箱！ 这是可能的，因为电气系统弥补了上述缺点。 变速器被所谓的动力分配器取代，动力分配器是一种结合了内燃机和两个电机的行星齿轮。 对于那些没有阅读混合系统书籍中关于其操作的选择性解释的人，尤其是关于 Prius 的创建（后者可在我们网站 ams.bg 的在线版本上获得），我们只会说该机制允许内燃机的部分机械能直接、机械地和部分地转移，转化为电能（借助一台机器作为发电机），然后再次转化为机械能（借助另一台机器作为电动机） . 丰田（其最初的想法是 60 年代的美国公司 TRW）创造的这项发明的天才在于提供高启动扭矩，这避免了对非常低的齿轮的需要，并允许发动机以高效模式运行。 在最大负载下，模拟尽可能高的档位，电气系统始终充当缓冲器。 当需要模拟加速和降档时，通过控制发电机提高发动机转速，并相应地使用复杂的电子电流控制系统提高其速度。 在模拟高档位时，即使是两辆车也要互换角色来限制发动机的转速。 此时，系统进入“动力循环”模式，效率明显降低，这也解释了该类混合动力车在高速行驶时油耗的锐利表现。 因此，这项技术实际上是方便城市交通的折衷方案，因为很明显，电气系统无法完全弥补经典变速箱的缺失。 为了解决这个问题，本田工程师在其新型复杂的混合动力混合动力系统中使用了一种简单而巧妙的解决方案来与丰田竞争——他们只需添加第六个手动变速箱来代替高速混合动力机构。 所有这一切可能足以证明需要变速箱。 当然，如果可能的话，有大量的档位 - 事实是，通过手动控制，驾驶员根本不会舒服地拥有大量档位，并且价格会增加。 目前，保时捷（基于 DSG）和雪佛兰 Corvettes 中的 7 速手动变速器非常罕见。
这一切都始于链条和皮带
因此，不同的条件需要根据速度和扭矩来确定所需功率的特定值。 因此，除了现代发动机技术外，对高效发动机运行和降低燃油消耗的需求，变速箱也成为越来越重要的挑战。
自然而然地，出现的第一个问题是启动 - 在第一辆乘用车中，最常见的变速箱形式是从自行车借来的链条传动装置，或者作用在不同直径皮带轮上的皮带传动装置。 实际上，皮带传动没有出现令人不快的意外。 它不仅和它的连锁伙伴一样吵闹，而且还不会断齿，这是从当时的司机称为“传动生菜”的原始齿轮机构中得知的。 自世纪之交以来，已经对所谓的“摩擦轮驱动”进行了实验，这种驱动没有离合器或齿轮，并在其环形变速箱中使用了 Nissan 和 Mazda（稍后将讨论）。 然而，齿轮的替代品也有许多严重的缺点 - 皮带无法承受长时间的负载和增加的速度，它们很快就会松动和撕裂，摩擦轮的“垫”磨损太快。 无论如何，在汽车工业兴起后不久，齿轮就成为必需品，并且在相当长的一段时间内仍然是现阶段传递扭矩的唯一选择。
机械变速箱的诞生
列奥纳多·达·芬奇 (Leonardo da Vinci) 为他的机械装置设计和制造了齿轮，但由于可以使用适当的冶金技术来制造优质钢材和金属加工机器，因此直到 1880 年才能够生产坚固、相当准确和耐用的齿轮。 工作的准确性比较高。 齿轮的摩擦损失减少到只有 2%！ 这是它们作为变速箱的一部分变得不可或缺的时刻，但问题仍然存在于它们在通用机构中的统一和位置。 创新解决方案的一个例子是 1897 年的戴姆勒凤凰，其中各种尺寸的齿轮被“组装”成真正的，根据今天的理解，一个变速箱，除了四个速度外，还有一个倒档。 两年后，Packard 成为第一家在字母“H”末端使用众所周知的变速杆定位的公司。 在接下来的几十年里，齿轮不再存在，但以更容易工作的名义继续改进机制。 卡尔·本茨为他的第一辆量产车配备了行星变速箱，并在 1929 年凯迪拉克和拉萨尔开发的第一台同步变速箱中幸存下来。 两年后，梅赛德斯、马西斯、迈巴赫和霍希以及沃克斯豪尔、福特和劳斯莱斯已经在使用同步器。 一个细节 - 所有的一档都不同步，这让司机很恼火，需要特殊技能。 1933 年 XNUMX 月，英国的 Alvis Speed Twenty 使用了第一台完全同步的变速箱，由著名的德国公司制造，该公司仍以“Gear Factory”ZF 为名，这在我们的故事中会经常提到。 直到 30 年代中期，同步器才开始安装在其他品牌上，但在更便宜的汽车和卡车中，驾驶员继续努力使用变速杆来移动和换档。 事实上，早在 1899 年至 1910 年间，De Dion Bouton 就借助各种传动结构寻求解决此类不便问题的方法，其目的还在于不断啮合齿轮副并将它们连接到轴上开发了一种有趣的变速器，其中齿轮不断啮合，并且它们与副轴的连接是使用小型联轴器进行的。 Panhard-Levasseur 有类似的发展，但在他们的发展中，永久啮合的齿轮使用销钉牢固地连接到轴上。 当然，设计师并没有停止思考如何让驾驶员更轻松并保护汽车免受不必要的损坏。 1914 年，凯迪拉克 (Cadillac) 工程师决定，他们可以利用其巨大发动机的动力，为汽车配备可调节的终传动，该终传动可以电动换档并将传动比从 4,04: 更改为 2,5:1。
20 年代和 30 年代是一个令人难以置信的发明时代，这些发明是多年来不断积累的知识的一部分。 例如，在 1931 年，法国公司 Cotal 制造了一种电磁换档手动变速箱，由方向盘上的一个小杠杆控制，而方向盘又与放置在地板上的一个小怠速杆相结合。 我们提到后一个特征是因为它允许汽车拥有与四个倒档一样多的前进档。 当时，Delage、Delahaye、Salmson 和 Voisin 等著名品牌都对 Kotal 的发明感兴趣。 除了前面提到的许多现代后轮驱动齿轮的奇怪和被遗忘的“优势”之外，这个令人难以置信的变速箱还具有与 Fleschel 自动换档器“互动”的能力，该自动换档器在发动机负载引起的速度下降时换档，事实上最早尝试自动化流程的尝试之一。
40年代和50年代的大多数汽车都有三档，因为发动机的转速不超过4000 rpm。 随着转速，扭矩和功率曲线的增加，这三个齿轮不再覆盖转速范围。 结果是不和谐的运动，在举升时具有特征性的“惊人”传递，而在降到较低的传递时会产生过度的用力。 解决这个问题的合理方法是在60年代大规模转向四速齿轮箱，而对于70年代的制造商来说，这是3年代的第一个重要里程碑。 最近，一辆经典的欧宝Commodore的车主告诉我，当他购买这辆车时，它是20档，平均100升/ 15公里。 当他将变速箱换成四速变速箱时，耗油量为100升/ 10公里，当他最终获得五速变速箱时，后者降至XNUMX升。
如今，几乎没有五档以下的汽车，六速成为高规格紧凑型车型的标准配置。 在大多数情况下，第六个想法是在高转速时大幅降低速度，在某些情况下，当速度不那么长并且换挡时速度降低会降低。 多级变速器对柴油机具有特别积极的影响，柴油机的单元具有高扭矩，但由于柴油机的基本特性，其工作范围大大减小。
（跟随）
文字：Georgy Kolev
