試駕汽車變速箱的歷史 - 第 1 部分
在一系列文章中，我們將向您介紹汽車和卡車變速箱的歷史 - 也許是為了紀念第一個自動變速箱問世 75 週年。
1993 在銀石賽道進行賽前測試時，威廉斯測試車手 David Coulthard 離開賽道，駕駛新款威廉斯 FW 15C 進行進一步測試。 在潮濕的柏油路上，車子濺得到處都是，但大家還是能聽到十缸引擎奇怪單調的高速運轉聲。 顯然弗蘭克·威廉使用了不同類型的傳動裝置。 明眼人都清楚，這無非是為了滿足一級方程式發動機的需要而設計的無段變速器，後來證明它是隨處可見的Van Doorn專家參與開發的。 感染傳播。 在過去的四年裡，這兩家合謀的公司在該項目中投入了大量的工程和財務資源，以創建一個功能齊全的原型，可以改寫運動女王的動力學規則。 您可以在今天的 YouTube 影片中看到該模型正在接受測試，庫特哈德本人表示，他喜歡它的表現，尤其是在彎道中，無需浪費時間降檔，一切都由電子設備處理。 不幸的是，所有參與該計畫的人都失去了他們的勞動成果。 立法者很快就禁止在一級方程式賽車中使用此類裝備，據稱是因為「不公平的優勢」。 規則發生了變化，V 形帶 CVT 或 CVT 變速箱僅短暫出現就被納入歷史。 案件已經結案，威廉斯應該重新使用半自動變速箱，這種變速箱仍然是一級方程式賽車的標準配置，並在 1 年代末發生了革命性的變化。 順便說一句，早在1年，配備Variomatic變速箱的DAF就曾嘗試進入賽車賽道，但當時的機構過於龐大，即使沒有主觀因素的干預也注定會失敗。 不過那是另一回事了。
我們曾多次引用例子，說明現代汽車行業的創新有多少是極有天賦和眼光敏銳的人頭腦中誕生的舊思想的結果。 由於其機械性質，齒輪箱是在適當的時候如何實施它們的主要例子之一。 如今，先進材料、製造工藝和電子政務的結合為各種形式的傳輸提供了極其有效的解決方案。 一方面，降低油耗的趨勢以及尺寸減小的新發動機的特殊性（例如，需要快速克服渦輪孔）導致需要製造具有更寬傳動比範圍的自動變速器，因此，大量的齒輪。 他們更實惠的替代品是日本汽車製造商經常使用的小型汽車 CVT 和 Easytronic 等自動手動變速器。 歐寶（也適用於小型汽車）。 並聯混合動力系統的機制是特定的，作為減排努力的一部分，驅動電氣化實際上發生在變速器中。
沒有變速箱，發動機無法做到
迄今為止，人類還沒有發明一種比使用皮帶，鏈條和齒輪的方法更有效的直接傳遞機械能的方法（當然，液壓機構和混合動力系統除外）。 當然，此主題有無數種變化，您可以通過列出近年來該領域最傑出的進展來更好地理解它們的本質。
電子換檔的概念，或者說以電子方式間接將控制機構與變速箱連接起來，並不是最後的呼聲，因為 1916 年，賓夕法尼亞州的普爾曼公司發明了一種電動換檔的變速器。 二十年後，它採用了相同的工作原理並進行了改進，被安裝在前衛的 Cord 812 上 - 不僅在 1936 年問世時，它還是最具未來感和非凡的汽車之一。 這條繩索出現在一本介紹工業設計成就的書的封面上，意義重大。 它的變速箱將扭矩從發動機傳遞到前軸（！），而換檔裝置是直接且精緻的，適用於當時引入的轉向柱，該轉向柱激活特殊的電氣開關，從而激活帶有真空隔膜的複雜電磁裝置系統，包括齒輪。 繩索設計師成功地將這一切結合起來，不僅在理論上而且在實踐中也非常有效。 設定換檔和離合器操作之間的時間是一場噩夢，根據當時的說法，可能會將機械師送進精神病院。 然而，Cord 是一輛豪華汽車，它的車主無法承受許多現代製造商對這一過程精度的粗心態度 - 實際上，大多數自動（通常稱為機器人或半自動）變速箱的換檔具有特徵延遲，並且經常生澀。
沒有人認為，對於當今更簡單、更常見的手排變速箱來說，同步是一項更簡單的任務，因為問題是，“為什麼要使用這樣的設備？” 它本質上是基本的。 發生這種複雜事件的原因還在於打開了數十億美元的業務利基，原因在於內燃機的本質。 與例如蒸汽機不同，蒸汽機供應到汽缸的蒸汽壓力可以相對容易地變化，並且其壓力在啟動和正常操作期間可能變化；或者與電動機不同，在電動機中，強驅動磁場在零處也存在每分鐘轉數（事實上，那麼它是最高的，並且由於電動馬達的效率隨著速度的增加而降低，目前所有電動車變速箱製造商都在開發兩級選項）內燃機具有以下特點：最大功率在接近最大速度時實現，最大扭矩處於相對較小的速度範圍內，在此範圍內發生最佳燃燒過程。 還應注意，在現實生活中，發動機很少在最大扭矩曲線上使用（相應地在最大功率發展曲線上使用）。 不幸的是，低轉速時的扭矩極小，即使直接連接變速箱，即使離合器已分離並允許起步，汽車也將永遠無法執行諸如在寬速範圍內起步，加速和駕駛的活動。 這是一個簡單的例子 - 如果引擎以 1:1 的速度傳輸速度，輪胎尺寸為 195/55 R 15（現在我們從最終傳動的存在中抽象化），那麼理論上汽車應該以320公里。 / h在每分鐘3000轉的曲軸上。 當然，汽車具有直接或閉合齒輪，甚至包括履帶齒輪，在這種情況下，最終傳動也應納入考慮範圍，必須予以考慮。 但是，如果我們繼續以60 km / h的正常速度行駛在城市中進行推理的原始邏輯，那麼發動機將僅需要560 rpm。 當然，沒有電動機能夠進行這種纏繞。 還有一個細節——因為純粹物理上，功率與扭矩和速度成正比（其公式也可以定義為速度×扭矩/某個係數），而物理體的加速度取決於施加在其上的力。 請理解，在這種情況下，功率是合乎邏輯的，為了更快地加速，您將需要更高的速度和更多的負載（即 扭矩）。 聽起來很複雜，但實際上這意味著：每個駕駛員，甚至是一個不懂任何技術的駕駛員，都知道為了快速超越汽車，您需要降低一個或兩個檔位。 因此，變速箱能夠在相同的踏板壓力下立即提供更高的轉速，從而實現更高的動力。 這就是裝置的任務 - 考慮到內燃機的特性，確保其以最佳模式運作。 一檔以100 km / h的速度行駛將是非常不經濟的，而第六檔適合該賽道，這是不可能的。 經濟駕駛要求儘早換檔並且發動機在滿負載下運行（即駕駛略低於最大扭矩曲線）並非巧合。 專家使用“低單位功耗”一詞，該詞處於中等轉速範圍內，接近最大負載。 然後，汽油發動機的節氣門打開得更寬，減少了泵送損失，增加了汽缸壓力，從而提高了化學反應的質量。 較低的速度可減少摩擦並留出更多時間完全填充。 賽車始終以較高的速度行駛，並具有大量的擋位（在公式1中為XNUMX），這可以在換擋時降低速度，並將過渡範圍限制在功率明顯較小的區域。
實際上，它不需要經典的變速箱，但是...
以混合動力系統為例，特別是豐田普銳斯等組合系統。 該車輛不具有任何列出的變速箱類型。 它幾乎沒有變速箱！ 這是可能的，因為上述缺點透過電氣系統得到了補償。 變速箱被所謂的動力分配裝置所取代，這是一種結合了內燃機和兩台馬達的行星機構。 對於那些沒有閱讀過關於混合動力系統的書籍中對其操作的選擇性解釋的人，特別是關於普銳斯的創建（後者可以在我們網站ams.bg 的在線版本中找到），我們只會說該機制允許內燃機的部分機械能被直接、機械地和部分地轉換成電能（使用一台機器作為發電機）並再次轉換成機械能（使用另一台機器作為電動機）。 豐田這款產品的天才之處在於（其最初的想法是來自 60 年代的美國公司 TRW）在啟動時提供高扭矩，從而避免了非常低的檔位，並使發動機能夠在高效模式下運行。 在最大負載下，模擬盡可能最高的檔位，而電氣系統始終充當緩衝器。 當需要模擬加速和降檔時，透過使用複雜的電子電流控制系統控制發電機來提高引擎轉速，從而提高引擎轉速。 當模擬高速檔時，即使是兩輛車也必須交換角色以限制引擎速度。 此時，系統進入「動力循環」模式，效率顯著降低，這也解釋了該類混合動力車在高速行駛時油耗顯示急劇的原因。 因此，這項技術實際上是一種折衷方案，方便城市交通，因為顯然電氣系統無法完全彌補經典變速箱的不足。 為了解決這個問題，本田工程師在他們新的複雜組合混合動力系統中使用了一種簡單但巧妙的解決方案，該系統旨在與豐田競爭——他們只是添加了第六個手排變速箱，該變速箱取代了高速混合動力機構。 所有這些可能足以令人信服地表明對變速箱的需求。 當然，如果可能的話，具有大量的檔位 - 事實是，通過手動控制，駕駛員將根本不舒服擁有大量的檔位，並且價格會增加。 目前，像保時捷（基於 DSG）和雪佛蘭克爾維特那樣的 7 速手排變速箱相當罕見。
這一切都始於鏈條和皮帶
因此，不同的條件需要根據速度和扭矩來確定所需功率的特定值。 因此，除了現代發動機技術外，對於高效發動機運行和降低燃油消耗的需求，變速箱也變得越來越重要。
當然，出現的第一個問題是啟動 - 在第一批乘用車中，最常見的變速箱形式是藉自自行車的鏈條傳動裝置，或作用於不同直徑的皮帶輪的皮帶傳動裝置。 在實踐中，皮帶傳動並沒有出現令人不快的意外情況。 它不僅像鏈條驅動的伙伴一樣吵鬧，而且也不會折斷牙齒，這一點從當時的司機稱為“變速箱沙拉”的原始齒輪機構中可以看出。 自世紀之交以來，人們對所謂的「摩擦輪驅動」進行了實驗，這種驅動既沒有離合器也沒有齒輪，被日產和馬自達用於其環形變速箱（稍後討論）。 然而，齒輪的替代品也有許多嚴重的缺點——皮帶無法承受長時間的負載和不斷增加的速度，很快就會鬆動和撕裂，摩擦輪的「墊」磨損得太快。 無論如何，在汽車工業誕生後不久，齒輪係就變得必要，並且在相當長的一段時間內仍然是現階段傳遞扭矩的唯一選擇。
機械傳動的誕生
列奧納多·達·芬奇 (Leonardo da Vinci) 為他的機械裝置設計和製造了齒輪，但直到 1880 年才有可能生產堅固、相當準確且耐用的齒輪，這要歸功於製造高質量鋼材和金屬加工機器的適當冶金技術的可用性。 工作的準確性比較高。 齒輪的摩擦損失減少到只有 2%！ 這是它們作為變速箱的一部分變得不可或缺的時刻，但問題仍然存在於它們在通用機構中的統一和位置。 創新解決方案的一個例子是 1897 年的戴姆勒鳳凰，其中各種尺寸的齒輪被“組裝”成一個真正的，根據今天的理解，一個變速箱，除了四個速度外，還有一個倒檔。 兩年後，Packard 成為第一家在字母“H”末端使用眾所周知的變速桿定位的公司。 在接下來的幾十年裡，齒輪不再存在，但以更容易工作的名義繼續改進機制。 卡爾·本茨為他的第一輛量產車配備了行星變速箱，並在 1929 年由凱迪拉克和拉薩爾製造的第一台同步變速箱的出現中倖存下來。 兩年後，梅賽德斯、馬西斯、邁巴赫和霍希以及沃克斯豪爾、福特和勞斯萊斯已經在使用同步器。 一個細節 - 所有的一檔都不同步，這極大地激怒了駕駛員並且需要特殊技能。 1933 年 XNUMX 月，英國的 Alvis Speed Twenty 使用了第一台完全同步的變速箱，由著名的德國公司製造，該公司仍以“齒輪工廠”採埃孚 (ZF) 的名字命名，我們在故事中會經常提到這個名字。 直到 30 年代中期，同步器才開始安裝在其他品牌上，但在更便宜的汽車和卡車上，駕駛員繼續努力使用變速桿來移動和換檔。 事實上，人們很早就在各種傳動結構的幫助下尋求解決此類不便問題的方法，這些傳動結構也旨在不斷嚙合的齒輪副及其與軸的連接- 在1899 年至1910 年期間， De Dion Bouton開發了一種有趣的變速器，其中齒輪會不斷嚙合，並且它們與副軸的連接是使用小型聯軸器進行的。 Panhard-Levasseur 有類似的發展，但在他們的發展中，永久嚙合的齒輪使用銷釘牢固地連接到軸上。 當然，設計師並沒有停止思考如何讓駕駛員更輕鬆並保護汽車免受不必要的損壞。 1914 年，凱迪拉克 (Cadillac) 工程師決定，他們可以利用其巨大發動機的動力，為汽車配備可調節的終傳動，該終傳動可以電動換檔並將傳動比從 4,04: 更改為 2,5:1。
20 世紀 30 年代和 1931 年代是一個令人難以置信的發明的時代，這些發明是多年來不斷累積的知識的一部分。 例如，XNUMX年，法國公司Cotal創造了一種具有電磁換檔功能的手動變速箱，由方向盤上的一個小槓桿控制，而方向盤又與位於地板上的一個小怠速桿相結合。 我們提到最後一個功能是因為它允許汽車擁有與倒車齒輪一樣多的前進檔 - 四個。 當時，Delage、Delahaye、Salmson 和 Voisin 等知名品牌都對 Kotal 的發明感興趣。 除了前面提到的許多現代後輪驅動裝置的古怪和被遺忘的“優勢”之外，這種令人難以置信的變速箱還具有與Fleschel 自動換檔器“交互”的能力，該換檔器會在引擎負載導致速度下降時換檔，並在事實上，這是自動化過程的首次嘗試之一。
40年代和50年代的大多數汽車都有三檔，因為發動機的轉速不超過4000 rpm。 隨著轉速，扭矩和功率曲線的增加，這三個齒輪不再覆蓋轉速範圍。 結果是不和諧的運動，舉升時具有典型的“令人驚嘆”的檔位，而降檔時則表現出過分的用力。 解決該問題的合理方法是在60年代大規模轉向四速齒輪箱，而對於70年代的製造商來說，這是第一個重要的里程碑，他們自豪地指出了這種變速箱的存在以及汽車上的模型圖像。 最近，一輛經典的歐寶準將的車主告訴我，當他購買這輛車時，它是3檔，平均20升/ 100公里。 當他用四速變速箱代替變速箱時，耗油量為15升/ 100公里，而當他最終獲得五速變速箱時，後者降至10升。
如今，幾乎沒有五檔以下的汽車，六速成為高規格緊湊型車型的標準配置。 在大多數情況下，第六個想法是在高轉速下大幅降低速度，在某些情況下，速度不是太長並且換檔時速度降低會降低。 多級變速器對柴油機具有特別積極的影響，柴油機的單位具有高扭矩，但由於柴油機的基本特性，其工作範圍大大減小。
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文字：Georgy Kolev
