Lái Thử Lịch Sử Hộp Số Ô Tô - Phần 1

Trong một loạt bài viết, chúng tôi sẽ kể cho bạn nghe về lịch sử của hộp số ô tô và xe tải - có lẽ như một dấu ấn nhân dịp kỷ niệm 75 năm ngày tạo ra hộp số tự động đầu tiên.

1993 Trong cuộc thử nghiệm trước cuộc đua tại Silverstone, tay đua thử nghiệm của Williams, David Coulthard, đã rời đường đua để thực hiện cuộc thử nghiệm tiếp theo trên chiếc Williams FW 15C mới. Trên vỉa hè ẩm ướt, tiếng xe bắn tung tóe khắp nơi, nhưng mọi người vẫn có thể nghe thấy âm thanh tốc độ cao đơn điệu kỳ lạ của động cơ mười xi-lanh. Rõ ràng là Frank William sử dụng một kiểu truyền tin khác. Có thể hiểu rõ ràng rằng đây chẳng qua là một hộp số biến thiên liên tục được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của động cơ Công thức 1. Sau đó, hóa ra nó được phát triển với sự trợ giúp của các chuyên gia Van Doorn có mặt khắp nơi. truyền nhiễm trùng. Hai công ty âm mưu đã rót nguồn tài chính và kỹ thuật khổng lồ vào dự án này trong bốn năm qua để tạo ra một nguyên mẫu đầy đủ chức năng có thể viết lại các quy tắc động lực học trong môn thể thao nữ hoàng. Trong video YouTube ngày hôm nay, bạn có thể xem các bài kiểm tra của mẫu xe này và bản thân Coulthard tuyên bố rằng anh ấy thích công việc của cô ấy - đặc biệt là ở góc cua, nơi không cần lãng phí thời gian để giảm số - mọi thứ đều do thiết bị điện tử đảm nhận. Thật không may, tất cả những người làm việc trong dự án đều mất đi thành quả lao động của họ. Các nhà lập pháp đã nhanh chóng cấm sử dụng những đường chuyền như vậy trong Công thức, được cho là do "lợi thế không công bằng". Các quy tắc đã được thay đổi và hộp số CVT hoặc CVT dây đai V đã trở thành lịch sử chỉ với lần xuất hiện ngắn ngủi này. Vụ việc đã khép lại và Williams nên quay trở lại với hộp số bán tự động, vẫn là tiêu chuẩn trong Công thức 1 và đến lượt nó, đã trở thành một cuộc cách mạng vào cuối những năm 80. Nhân tiện, vào năm 1965, DAF với hộp số Variomatic đã cố gắng tham gia vào đường đua xe thể thao, nhưng vào thời điểm đó, cơ chế này quá đồ sộ nên ngay cả khi không có sự can thiệp của các yếu tố chủ quan thì nó cũng phải chịu thất bại. Nhưng đó là một câu truyện khác.

Chúng tôi đã nhiều lần trích dẫn các ví dụ về việc có bao nhiêu sự đổi mới trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại là kết quả của những ý tưởng cũ được sinh ra trong đầu của những người cực kỳ tài năng và sáng suốt. Do bản chất cơ học của chúng, hộp số là một trong những ví dụ điển hình về cách chúng có thể được thực hiện khi đến thời điểm thích hợp. Ngày nay, sự kết hợp của các vật liệu và quy trình sản xuất tiên tiến và chính phủ điện tử đã tạo cơ hội cho các giải pháp vô cùng hiệu quả trong mọi hình thức truyền tải. Một mặt, xu hướng tiêu thụ thấp hơn và tính đặc thù của động cơ mới với kích thước giảm (ví dụ, cần phải nhanh chóng khắc phục lỗ tăng áp) dẫn đến nhu cầu tạo ra hộp số tự động với phạm vi tỷ số truyền rộng hơn và theo đó, một số lượng lớn các bánh răng. Các lựa chọn thay thế hợp lý hơn của họ là hộp số vô cấp CVT dành cho xe nhỏ, thường được các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản sử dụng và hộp số sàn tự động như Easytronic. Opel (cũng dành cho ô tô nhỏ). Các cơ chế của các hệ thống hybrid song song là cụ thể, và là một phần của nỗ lực giảm phát thải, quá trình điện khí hóa truyền động thực sự xảy ra trong các hộp số.

Động cơ không thể làm được nếu không có hộp số

Cho đến nay, nhân loại vẫn chưa phát minh ra một cách truyền trực tiếp năng lượng cơ học (tất nhiên là ngoại trừ các cơ cấu thủy lực và hệ thống điện lai) hiệu quả hơn so với các phương pháp sử dụng dây đai, xích và bánh răng. Tất nhiên, có vô số biến thể về chủ đề này, và bạn có thể hiểu rõ hơn về bản chất của chúng bằng cách liệt kê những phát triển nổi bật nhất trong lĩnh vực này trong những năm gần đây.

Khái niệm chuyển số điện tử, hay kết nối gián tiếp điện tử của cơ cấu điều khiển với hộp số, còn lâu mới xuất hiện, bởi vì vào năm 1916, công ty Pullman của Pennsylvania đã tạo ra một hộp số sang số bằng điện. Sử dụng cùng một nguyên tắc làm việc ở dạng cải tiến, hai mươi năm sau, nó đã được lắp đặt trên chiếc Cord 812 tiên phong - một trong những chiếc xe tương lai và tuyệt vời nhất không chỉ vào năm 1936, khi nó được tạo ra. Điều quan trọng là sợi dây này có thể được tìm thấy trên trang bìa của một cuốn sách về những thành tựu của thiết kế công nghiệp. Hộp số của nó truyền mô-men xoắn từ động cơ đến trục trước (!) Các nhà thiết kế dây đã thành công trong việc kết hợp tất cả những điều này và nó hoạt động tốt không chỉ trên lý thuyết mà còn trên thực tế. Việc thiết lập đồng bộ hóa giữa chuyển số và vận hành ly hợp là một cơn ác mộng thực sự, và theo bằng chứng vào thời điểm đó, có thể đưa một thợ máy đến bệnh viện tâm thần. Tuy nhiên, Cord là một chiếc xe hơi sang trọng và chủ sở hữu của nó không thể chấp nhận thái độ bình thường của nhiều nhà sản xuất hiện đại đối với độ chính xác của quy trình này - trên thực tế, hầu hết các hộp số tự động (thường được gọi là robot hoặc bán tự động) chuyển số với độ trễ đặc trưng, và thường có gió giật.

Không ai khẳng định rằng việc đồng bộ hóa là một nhiệm vụ dễ dàng hơn nhiều với các hộp số tay đơn giản và phổ biến hơn ngày nay, bởi vì câu hỏi "Tại sao lại cần thiết phải sử dụng một thiết bị như vậy?" Có tính chất cơ bản. Lý do cho sự kiện phức tạp này, nhưng cũng mở ra một ngách kinh doanh hàng tỷ USD, nằm ở bản chất của động cơ đốt trong. Ví dụ, không giống như động cơ hơi nước, trong đó áp suất của hơi nước cung cấp cho xi lanh có thể thay đổi tương đối dễ dàng và áp suất của nó có thể thay đổi trong quá trình khởi động và vận hành bình thường, hoặc từ động cơ điện, trong đó có từ trường dẫn động mạnh. cũng tồn tại ở tốc độ XNUMX. mỗi phút (trên thực tế, khi đó nó là cao nhất và do hiệu suất của động cơ điện giảm khi tốc độ ngày càng tăng, tất cả các nhà sản xuất hộp số cho xe điện hiện đang phát triển các tùy chọn hai giai đoạn) một nội bộ động cơ đốt trong có đặc điểm trong đó công suất cực đại đạt được ở tốc độ gần cực đại và mô-men xoắn cực đại - trong một dải tốc độ tương đối nhỏ, trong đó quá trình đốt cháy diễn ra tối ưu nhất. Cũng cần lưu ý rằng trong thực tế động cơ ít được sử dụng trên đường cong mômen xoắn cực đại (tương ứng trên đường cong phát triển công suất cực đại). Thật không may, mô-men xoắn ở vòng tua thấp là tối thiểu, và nếu hộp số được kết nối trực tiếp, ngay cả với bộ ly hợp ngắt và cho phép khởi động, chiếc xe sẽ không bao giờ có thể thực hiện các hoạt động như khởi động, tăng tốc và lái xe ở dải tốc độ rộng. Đây là một ví dụ đơn giản - nếu động cơ truyền tốc độ 1: 1 và kích thước lốp là 195/55 R 15 (hiện tại, trừu tượng hóa từ sự hiện diện của bánh răng chính), thì về mặt lý thuyết, ô tô sẽ di chuyển với tốc độ 320 km. / h ở 3000 vòng quay trục khuỷu mỗi phút. Tất nhiên, ô tô có bánh răng trực tiếp hoặc bánh răng đóng và thậm chí bánh răng bánh xích, trong trường hợp đó, truyền động cuối cùng cũng đi vào phương trình và phải được tính đến. Tuy nhiên, nếu chúng ta tiếp tục lập luận logic ban đầu về việc lái xe với tốc độ bình thường 60 km / h trong thành phố, động cơ sẽ chỉ cần 560 vòng / phút. Tất nhiên, không có động cơ nào có khả năng làm một động cơ như vậy. Còn một chi tiết nữa - bởi vì, hoàn toàn về mặt vật lý, công suất tỷ lệ thuận với mô-men xoắn và tốc độ (công thức của nó cũng có thể được định nghĩa là tốc độ x mô-men xoắn / một hệ số nhất định) và gia tốc của vật thể phụ thuộc vào lực tác dụng lên nó . , hiểu, trong trường hợp này là công suất, hợp lý là để tăng tốc nhanh hơn, bạn sẽ cần tốc độ cao hơn và tải lớn hơn (tức là mômen xoắn). Nghe có vẻ phức tạp, nhưng trên thực tế, điều này có nghĩa như sau: mọi người lái xe, kể cả người không hiểu gì về công nghệ, đều biết rằng để nhanh chóng vượt xe, bạn cần phải sang số thấp hơn một hoặc thậm chí hai số. Do đó, với hộp số, nó ngay lập tức mang lại số vòng quay cao hơn và do đó có nhiều sức mạnh hơn cho mục đích này với cùng một mức độ áp lực bàn đạp. Đây là nhiệm vụ của thiết bị này - có tính đến các đặc điểm của động cơ đốt trong, để đảm bảo hoạt động của nó ở chế độ tối ưu. Việc lái xe ở số đầu tiên ở tốc độ 100 km / h sẽ khá không kinh tế, và ở số thứ sáu, phù hợp với đường đua thì không thể nào chui lọt được. Không phải ngẫu nhiên mà việc lái xe tiết kiệm đòi hỏi phải sang số sớm và động cơ chạy ở mức đầy tải (tức là lái xe xuống dưới đường cong mô-men xoắn cực đại một chút). Các chuyên gia sử dụng thuật ngữ "tiêu thụ năng lượng cụ thể thấp", nằm trong dải vòng tua trung bình và gần với tải tối đa. Khi đó van tiết lưu của động cơ xăng sẽ mở rộng hơn và giảm tổn thất bơm, tăng áp suất xi lanh và từ đó nâng cao chất lượng của các phản ứng hóa học. Tốc độ thấp hơn làm giảm ma sát và cho phép nhiều thời gian hơn để làm đầy hoàn toàn. Những chiếc xe đua luôn chạy ở tốc độ cao và có số lượng bánh răng lớn (tám bánh ở Công thức 1), điều này cho phép giảm tốc độ khi sang số và hạn chế việc chuyển sang những khu vực có ít công suất hơn đáng kể.

Trên thực tế, nó có thể hoạt động mà không cần hộp số cổ điển, nhưng ...

Trường hợp của hệ thống hybrid và đặc biệt là hệ thống hybrid như Toyota Prius. Chiếc xe này không có hộp số thuộc bất kỳ loại nào được liệt kê. Nó hầu như không có hộp số! Điều này là có thể bởi vì những thiếu sót nói trên đã được bù đắp bởi hệ thống điện. Hộp số được thay thế bằng cái gọi là bộ chia công suất, một bánh răng hành tinh kết hợp động cơ đốt trong và hai máy điện. Đối với những người chưa đọc phần giải thích có chọn lọc về hoạt động của nó trong sách về các hệ thống hybrid và đặc biệt là về việc tạo ra Prius (phần sau có sẵn trên phiên bản trực tuyến của trang web ams.bg của chúng tôi), chúng tôi sẽ chỉ nói rằng cơ chế này cho phép một phần năng lượng cơ học của động cơ đốt trong được chuyển trực tiếp, cơ học và một phần, được chuyển đổi thành điện năng (với sự trợ giúp của một máy làm máy phát điện) và một lần nữa thành cơ học (với sự trợ giúp của một máy khác là động cơ điện) . Điểm sáng tạo tuyệt vời này của Toyota (có ý tưởng ban đầu là công ty TRW của Mỹ từ những năm 60) là cung cấp mô-men xoắn khởi động cao, tránh nhu cầu về số rất thấp và cho phép động cơ hoạt động ở chế độ hiệu quả. ở mức tải tối đa, mô phỏng số cao nhất có thể, với hệ thống điện luôn hoạt động như một bộ đệm. Khi cần mô phỏng quá trình tăng tốc và giảm số, tốc độ động cơ được tăng lên bằng cách điều khiển máy phát điện và theo đó, bằng tốc độ của nó bằng hệ thống điều khiển dòng điện tử tinh vi. Khi mô phỏng số cao, thậm chí hai xe phải chuyển đổi vai trò để hạn chế tốc độ của động cơ. Tại thời điểm này, hệ thống chuyển sang chế độ "tuần hoàn năng lượng" và hiệu quả của nó giảm đi đáng kể, điều này giải thích cho việc hiển thị mức tiêu thụ nhiên liệu rõ nét của loại xe hybrid này ở tốc độ cao. Do đó, trên thực tế, công nghệ này là một sự thỏa hiệp thuận tiện cho giao thông đô thị, vì rõ ràng là hệ thống điện không thể bù đắp hoàn toàn cho việc không có hộp số cổ điển. Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư của Honda đang sử dụng một giải pháp đơn giản nhưng khéo léo trong hệ thống hybrid phức tạp mới của họ để cạnh tranh với Toyota - họ chỉ cần thêm một hộp số tay thứ sáu tham gia vào vị trí của cơ chế hybrid tốc độ cao. Tất cả điều này có thể đủ thuyết phục để cho thấy sự cần thiết của hộp số. Tất nhiên, nếu có thể với số lượng lớn - thực tế là với điều khiển bằng tay, người lái sẽ không thoải mái khi có số lượng lớn và giá sẽ tăng lên. Hiện tại, hộp số tay 7 cấp như của Porsche (dựa trên DSG) và Chevrolet Corvette là khá hiếm.

Tất cả bắt đầu với dây chuyền và thắt lưng

Vì vậy, các điều kiện khác nhau đòi hỏi các giá trị nhất định của công suất cần thiết tùy thuộc vào tốc độ và mômen. Và trong phương trình này, nhu cầu vận hành động cơ hiệu quả và giảm tiêu hao nhiên liệu, bên cạnh công nghệ động cơ hiện đại, truyền động ngày càng trở thành một thách thức quan trọng.

Đương nhiên, vấn đề đầu tiên nảy sinh là bắt đầu - trong những chiếc ô tô du lịch đầu tiên, dạng hộp số phổ biến nhất là truyền động bằng xích mượn từ xe đạp hoặc truyền động dây đai tác động lên các ròng rọc dây đai có đường kính khác nhau. Trên thực tế, không có bất ngờ khó chịu nào xảy ra trong quá trình truyền động bằng dây đai. Nó không chỉ ồn ào như các đối tác trong chuỗi mà còn không thể gãy răng, điều được biết đến từ cơ cấu bánh răng thô sơ mà các tài xế thời đó gọi là "rau diếp truyền động". Kể từ đầu thế kỷ này, các thí nghiệm đã được thực hiện với cái gọi là "dẫn động bánh ma sát", không có ly hợp hoặc bánh răng, và sử dụng Nissan và Mazda trong hộp số hình xuyến của họ (sẽ được thảo luận sau). Tuy nhiên, các phương án thay thế cho bánh răng cũng có một số nhược điểm nghiêm trọng - dây đai không chịu được tải trọng kéo dài và tốc độ ngày càng tăng, chúng nhanh chóng bị lỏng và rách, còn các "miếng đệm" của bánh xe ma sát bị mài mòn quá nhanh. Trong mọi trường hợp, ngay sau buổi bình minh của ngành công nghiệp ô tô, bánh răng đã trở nên cần thiết và vẫn là lựa chọn duy nhất ở giai đoạn này để truyền mô-men xoắn trong một thời gian khá dài.

Sự ra đời của bộ truyền cơ học

Leonardo da Vinci đã thiết kế và sản xuất bánh răng cho các cơ chế của mình, nhưng việc sản xuất bánh răng mạnh mẽ, chính xác hợp lý và bền chỉ có thể thực hiện được vào năm 1880 nhờ sự sẵn có của các công nghệ luyện kim thích hợp để tạo ra thép và máy gia công kim loại chất lượng cao. độ chính xác của công việc tương đối cao. Tổn thất do ma sát trong bánh răng giảm xuống chỉ còn 2%! Đây là thời điểm mà chúng trở nên không thể thiếu như một phần của hộp số, nhưng vấn đề vẫn nằm ở sự thống nhất và bố trí của chúng trong cơ chế chung. Một ví dụ về giải pháp sáng tạo là Daimler Phoenix từ năm 1897, trong đó các bánh răng với nhiều kích cỡ khác nhau được "lắp ráp" thành một hộp số thực, theo cách hiểu ngày nay, một hộp số, ngoài bốn tốc độ, còn có một số lùi. Hai năm sau, Packard trở thành công ty đầu tiên sử dụng vị trí cần số nổi tiếng ở hai đầu của chữ "H". Trong những thập kỷ tiếp theo, các bánh răng không còn nữa, nhưng các cơ chế tiếp tục được cải tiến với tên gọi là công việc dễ dàng hơn. Carl Benz, người đã trang bị cho những chiếc xe sản xuất đầu tiên của mình hộp số hành tinh, đã tồn tại được sự xuất hiện của hộp số đồng bộ đầu tiên do Cadillac và La Salle tạo ra vào năm 1929. Hai năm sau, các bộ đồng bộ hóa đã được sử dụng bởi Mercedes, Mathis, Maybach và Horch, và sau đó là Vauxhall, Ford và Rolls-Royce khác. Một chi tiết - tất cả đều có hộp số đầu tiên không đồng bộ, điều này khiến người lái vô cùng khó chịu và cần có những kỹ năng đặc biệt. Hộp số đồng bộ hoàn toàn đầu tiên được sử dụng bởi Alvis Speed ​​Twenty người Anh vào tháng 1933 năm XNUMX và được tạo ra bởi công ty nổi tiếng của Đức, công ty vẫn mang tên "Gear Factory" ZF, mà chúng ta sẽ thường nhắc đến trong câu chuyện của mình. Mãi đến giữa những năm 30, bộ đồng bộ hóa mới bắt đầu được lắp đặt trên các thương hiệu khác, nhưng ở những chiếc xe hơi và xe tải rẻ hơn, người lái xe vẫn tiếp tục vật lộn với cần số để di chuyển và sang số. Trên thực tế, một giải pháp cho vấn đề bất tiện này đã được tìm kiếm sớm hơn nhiều với sự trợ giúp của các cấu trúc truyền động khác nhau, cũng nhằm mục đích liên tục chia lưới các cặp bánh răng và kết nối chúng với trục - trong giai đoạn từ 1899 đến 1910, De Dion Bouton đã phát triển một hệ truyền động thú vị trong đó các bánh răng được ăn khớp liên tục và việc kết nối chúng với trục thứ cấp được thực hiện bằng các khớp nối nhỏ. Panhard-Levasseur cũng có sự phát triển tương tự, nhưng trong quá trình phát triển của họ, các bánh răng gắn kết vĩnh viễn được kết nối chắc chắn với trục bằng các chốt. Tất nhiên, các nhà thiết kế đã không ngừng suy nghĩ về việc làm thế nào để giúp người lái xe dễ dàng hơn và bảo vệ xe khỏi những hư hỏng không đáng có. Vào năm 1914, các kỹ sư của Cadillac quyết định rằng họ có thể khai thác sức mạnh của động cơ khổng lồ của mình và trang bị cho ô tô một bộ truyền động cuối cùng có thể điều chỉnh được, có thể chuyển số bằng điện và thay đổi tỷ số truyền từ 4,04: đến 2,5: 1.

Những năm 20 và 30 là thời điểm của những phát minh đáng kinh ngạc, là một phần của quá trình tích lũy kiến ​​thức không ngừng qua nhiều năm. Ví dụ, vào năm 1931, công ty Cotal của Pháp đã tạo ra hộp số tay chuyển số điện từ được điều khiển bằng một cần nhỏ trên vô lăng, do đó, cần này được kết hợp với một cần không tải nhỏ đặt trên sàn. Chúng tôi đề cập đến tính năng thứ hai bởi vì nó cho phép chiếc xe có số tiến bằng chính xác bốn số lùi. Vào thời điểm đó, các thương hiệu uy tín như Delage, Delahaye, Salmson và Voisin đã quan tâm đến phát minh của Kotal. Ngoài “ưu điểm” kỳ lạ và bị lãng quên của nhiều hộp số dẫn động cầu sau hiện đại nói trên, hộp số đáng kinh ngạc này còn có khả năng “tương tác” với bộ chuyển số tự động Fleschel giúp chuyển số khi tốc độ giảm do tải động cơ và thực tế là một trong những nỗ lực đầu tiên để tự động hóa quy trình.

Hầu hết các ô tô từ những năm 40 và 50 đều có ba bánh răng, bởi vì động cơ không phát triển quá 4000 vòng / phút. Với sự gia tăng của số vòng quay, mô-men xoắn và đường cong công suất, ba bánh răng không còn bao phủ phạm vi vòng quay. Kết quả là một chuyển động thiếu cân đối với đặc tính truyền động "gây choáng" khi nâng và ép quá mức khi chuyển sang số thấp hơn. Giải pháp hợp lý cho vấn đề này là sự chuyển đổi lớn sang bánh răng bốn cấp vào những năm 60, và hộp số năm cấp đầu tiên vào những năm 70 là một cột mốc quan trọng đối với các nhà sản xuất, họ tự hào ghi nhận sự hiện diện của một hộp số như vậy cùng với hình ảnh mô hình trên xe. Mới đây, chủ một chiếc Opel Commodore cổ điển cho tôi biết khi mua xe đang ở 3 cấp số và trung bình là 20 l / 100 km. Khi anh ta thay hộp số bằng hộp số bốn cấp, mức tiêu thụ là 15 lít / 100 km, và sau khi anh ta cuối cùng có được năm tốc độ, sau đó giảm xuống còn 10 lít.

Ngày nay, thực tế không có ô tô nào có ít hơn năm bánh răng và sáu tốc độ đang trở thành tiêu chuẩn trong các phiên bản cao hơn của các mẫu xe nhỏ gọn. Ý tưởng thứ sáu trong hầu hết các trường hợp là giảm tốc độ mạnh ở số vòng quay cao, và trong một số trường hợp, khi không quá dài và giảm tốc độ giảm xuống khi chuyển số. Hộp số nhiều cấp có tác dụng đặc biệt tích cực đối với động cơ diesel, các đơn vị có mô-men xoắn cao, nhưng phạm vi hoạt động giảm đáng kể do tính chất cơ bản của động cơ diesel.

(theo dõi)

Văn bản: Georgy Kolev