Test drive A história das transmissões de carros - Parte 1

Em uma série de artigos, contaremos a história das transmissões para carros e caminhões - talvez como uma homenagem ao 75º aniversário da criação da primeira transmissão automática.

1993 Durante os testes pré-corrida em Silverstone, o piloto de testes da Williams, David Coulthard, deixou a pista para o próximo teste no novo Williams FW 15C. Na calçada molhada, o carro espirra por toda parte, mas ainda assim todos podem ouvir o estranho som monótono de alta velocidade de um motor de dez cilindros. Obviamente, Frank William usa um tipo diferente de transmissão. É claro para os esclarecidos que nada mais é do que uma transmissão continuamente variável projetada para atender às necessidades de um motor de Fórmula 1. Mais tarde descobriu-se que foi desenvolvida com a ajuda dos onipresentes especialistas da Van Doorn. transmissão da infecção. As duas empresas conspiradoras investiram enormes recursos financeiros e de engenharia neste projeto nos últimos quatro anos para criar um protótipo totalmente funcional que pudesse reescrever as regras da dinâmica na rainha dos esportes. No vídeo do YouTube hoje você pode ver os testes desse modelo, e o próprio Coulthard afirma que gosta do trabalho dela - principalmente nas curvas, onde não há necessidade de perder tempo reduzindo a marcha - tudo é resolvido pela eletrônica. Infelizmente, todos que trabalharam no projeto perderam os frutos de seu trabalho. Os legisladores foram rápidos em proibir o uso de tais passes na Fórmula, supostamente devido a "vantagem injusta". As regras foram alteradas e as transmissões CVT ou CVT com correia em V eram história com apenas esta breve aparição. Caso encerrado e a Williams deve voltar às transmissões semiautomáticas, que ainda são padrão na Fórmula 1 e que, por sua vez, viraram uma revolução no final dos anos 80. Aliás, em 1965, a DAF com a transmissão Variomatic fez tentativas de entrar na pista do automobilismo, mas naquela época o mecanismo era tão maciço que mesmo sem a intervenção de fatores subjetivos estava fadado ao fracasso. Mas isso é outra história.

Citamos repetidamente exemplos de como a inovação na indústria automotiva moderna é resultado de velhas ideias nascidas na cabeça de pessoas extremamente talentosas e exigentes. Devido à sua natureza mecânica, as caixas de engrenagens são um dos principais exemplos de como podem ser implementadas no momento certo. Hoje em dia, a combinação de materiais avançados e processos de fabricação com o governo eletrônico criou a oportunidade para soluções incrivelmente eficazes em todas as formas de transmissão. A tendência de menor consumo, por um lado, e as especificidades dos novos motores com dimensões reduzidas (por exemplo, a necessidade de superar rapidamente um orifício turbo) levam à necessidade de criar transmissões automáticas com uma gama mais ampla de relações de transmissão e, consequentemente, um grande número de engrenagens. Suas alternativas mais acessíveis são CVTs para carros pequenos, freqüentemente usados por montadoras japonesas, e transmissões manuais automáticas, como Easytronic. Opel (também para carros pequenos). Os mecanismos dos sistemas híbridos paralelos são específicos e, como parte dos esforços de redução de emissões, a eletrificação de impulsos realmente ocorre nas transmissões.

Um motor não pode viver sem uma caixa de câmbio

Até o momento, a humanidade não inventou uma forma mais eficiente de transmissão direta de energia mecânica (exceto, é claro, mecanismos hidráulicos e sistemas elétricos híbridos) do que métodos que usam correias, correntes e engrenagens. Claro, existem inúmeras variações sobre este assunto, e você pode entender melhor sua essência listando os desenvolvimentos mais destacados nesta área nos últimos anos.

O conceito de câmbio eletrônico, ou conexão indireta eletrônica do mecanismo de controle à caixa de câmbio, está longe de ser o último grito, porque em 1916 a empresa Pullman da Pensilvânia criou uma caixa de câmbio que troca as marchas eletricamente. Usando o mesmo princípio de funcionamento de forma aprimorada, vinte anos depois foi instalado no vanguardista Cord 812 - um dos carros mais futuristas e maravilhosos não apenas em 1936, quando foi criado. É bastante significativo que esse cordão possa ser encontrado na capa de um livro sobre as conquistas do design industrial. Sua transmissão transmite torque do motor para o eixo dianteiro (!), e o câmbio é filigrana direta para a então representação da coluna de direção, que aciona interruptores elétricos especiais que acionam um complexo sistema de dispositivos eletromagnéticos com diafragmas a vácuo, incluindo engrenagens. Os designers de cabos conseguiram combinar tudo isso com sucesso e funciona muito bem não apenas na teoria, mas também na prática. Era um verdadeiro pesadelo estabelecer a sincronização entre a troca de marchas e o acionamento da embreagem e, segundo as evidências da época, era possível mandar um mecânico para um hospital psiquiátrico. No entanto, o Cord era um carro de luxo e seus proprietários não podiam se permitir a atitude casual de muitos fabricantes modernos em relação à precisão desse processo - na prática, a maioria das transmissões automatizadas (geralmente chamadas de robóticas ou semiautomáticas) muda com um atraso característico, e frequentemente rajadas.

Ninguém está afirmando que a sincronização é uma tarefa muito mais fácil com as transmissões manuais mais simples e difundidas hoje, porque a pergunta "Por que é necessário usar tal dispositivo?" Tem um caráter fundamental. A razão para este evento complexo, mas também a abertura de um nicho de negócios para bilhões, está na própria natureza do motor de combustão. Ao contrário, por exemplo, de um motor a vapor, onde a pressão do vapor fornecido aos cilindros pode mudar com relativa facilidade e sua pressão pode mudar durante a partida e operação normal, ou de um motor elétrico, no qual um forte campo magnético de acionamento também existe em velocidade zero. por minuto (na verdade, então é o mais alto, e devido à diminuição da eficiência dos motores elétricos com o aumento da velocidade, todos os fabricantes de transmissões para veículos elétricos estão desenvolvendo opções de dois estágios) um interno motor de combustão tem uma característica em que a potência máxima é alcançada em velocidades próximas ao máximo, e o torque máximo - em uma faixa relativamente pequena de velocidades, na qual ocorrem os processos de combustão mais ideais. Também deve ser observado que na vida real o motor raramente é usado na curva de torque máximo (correspondentemente na curva de desenvolvimento de potência máxima). Infelizmente, o torque em baixas rotações é mínimo, e se a transmissão estiver conectada diretamente, mesmo com uma embreagem que desengate e permita a partida, o carro nunca será capaz de realizar atividades como dar partida, acelerar e dirigir em uma ampla faixa de velocidade. Aqui está um exemplo simples - se o motor transmite sua velocidade 1: 1 e o tamanho do pneu é 195/55 R 15 (por enquanto, abstraindo da presença da marcha principal), teoricamente o carro deve se mover a uma velocidade de 320 km. / h a 3000 rotações do virabrequim por minuto. É claro que os carros têm marchas diretas ou fechadas e até mesmo marchas sobre esteiras, caso em que o comando final também entra na equação e deve ser levado em consideração. No entanto, se continuarmos com a lógica original de raciocínio de dirigir a uma velocidade normal de 60 km / h na cidade, o motor precisará de apenas 560 rpm. Obviamente, não existe motor capaz de fazer tal fio. Há mais um detalhe - porque, puramente fisicamente, a potência é diretamente proporcional ao torque e à velocidade (sua fórmula também pode ser definida como velocidade x torque / um determinado coeficiente), e a aceleração de um corpo físico depende da força aplicada a ele . , entenda, neste caso, a potência, é lógico que para uma aceleração mais rápida você precisará de velocidades mais altas e mais carga (ou seja, torque). Parece complicado, mas na prática isso significa o seguinte: todo motorista, mesmo aquele que não entende nada de tecnologia, sabe que, para ultrapassar rapidamente um carro, é necessário mudar uma ou até duas marchas para baixo. Assim, é com a caixa de câmbio que ele fornece instantaneamente rotações mais altas e, portanto, mais potência para esse fim com o mesmo grau de pressão do pedal. Esta é a tarefa deste dispositivo - levando em consideração as características do motor de combustão interna, para garantir seu funcionamento no modo ideal. Dirigir em primeira marcha a uma velocidade de 100 km / h será bastante antieconômico e, em sexta, adequado para a pista, é impossível arrancar. Não é por acaso que a direção econômica requer mudanças de marcha antecipadas e o motor funcionando a plena carga (ou seja, dirigir ligeiramente abaixo da curva de torque máximo). Os especialistas usam o termo "baixo consumo de energia específico", que está na faixa de rotação média e perto da carga máxima. Então, a válvula de aceleração dos motores a gasolina se abre mais e reduz as perdas no bombeamento, aumenta a pressão do cilindro e, assim, melhora a qualidade das reações químicas. Velocidades mais baixas reduzem o atrito e permitem mais tempo para o enchimento completo. Os carros de corrida sempre correm em altas velocidades e têm um grande número de marchas (oito na Fórmula 1), o que permite uma velocidade reduzida ao trocar de marcha e limita a transição para áreas com significativamente menos potência.

Na verdade, pode funcionar sem uma caixa de velocidades clássica, mas ...

O caso dos sistemas híbridos e em particular dos sistemas híbridos como o Toyota Prius. Este carro não possui transmissão de nenhum dos tipos listados. Praticamente não tem caixa de câmbio! Isso é possível porque as deficiências mencionadas são compensadas pelo sistema elétrico. A transmissão é substituída pelo chamado power splitter, uma engrenagem planetária que combina um motor de combustão interna e duas máquinas elétricas. Para quem não leu a explicação seletiva de seu funcionamento em livros sobre sistemas híbridos e principalmente sobre a criação do Prius (estes últimos disponíveis na versão online do nosso site ams.bg), diremos apenas que o mecanismo permite parte da energia mecânica do motor de combustão interna a ser transferida direta, mecanicamente e parcialmente, ser convertida em elétrica (com a ajuda de uma máquina como gerador) e novamente em mecânica (com a ajuda de outra máquina como motor elétrico) . A genialidade dessa criação da Toyota (cuja ideia original foi a americana TRW dos anos 60) é proporcionar alto torque de partida, o que evita a necessidade de marchas muito baixas e permite que o motor opere em modos eficientes. em carga máxima, simulando a marcha mais alta possível, com o sistema elétrico sempre atuando como um amortecedor. Quando a simulação de aceleração e redução de marcha é necessária, a rotação do motor é aumentada pelo controle do gerador e, consequentemente, por sua velocidade usando um sofisticado sistema eletrônico de controle de corrente. Ao simular marchas altas, até mesmo dois carros precisam trocar de papéis para limitar a velocidade do motor. Nesta altura, o sistema entra em modo de “circulação de potência” e a sua eficiência é significativamente reduzida, o que explica a acentuada exibição do consumo de combustível deste tipo de veículos híbridos a altas velocidades. Assim, esta tecnologia é na prática um compromisso conveniente para o tráfego urbano, pois é óbvio que o sistema elétrico não pode compensar totalmente a ausência de uma caixa de câmbio clássica. Para resolver este problema, os engenheiros da Honda estão usando uma solução simples, mas engenhosa, em seu novo e sofisticado sistema híbrido híbrido para competir com a Toyota - eles simplesmente adicionam uma sexta transmissão manual que se encaixa no lugar do mecanismo híbrido de alta velocidade. Tudo isso pode ser convincente o suficiente para mostrar a necessidade de uma caixa de câmbio. Claro, se possível com um grande número de marchas - o fato é que com o controle manual simplesmente não será confortável para o motorista ter um grande número e o preço aumentará. No momento, as transmissões manuais de 7 marchas, como as encontradas no Porsche (baseado no DSG) e no Chevrolet Corvettes, são bastante raras.

Tudo começa com correntes e cintos

Portanto, diferentes condições requerem determinados valores da potência necessária, dependendo da velocidade e do torque. E nessa equação, a necessidade de operação eficiente do motor e menor consumo de combustível, além da moderna tecnologia de motores, a transmissão torna-se um desafio cada vez mais importante.

Naturalmente, o primeiro problema que surge é a partida - nos primeiros carros de passeio, a forma mais comum de caixa de câmbio era uma transmissão por corrente, emprestada de uma bicicleta, ou uma transmissão por correia atuando em polias de diferentes diâmetros. Na prática, não houve surpresas desagradáveis no acionamento por correia. Não só era tão barulhento quanto seus parceiros de rede, mas também não podia quebrar dentes, o que era conhecido pelos mecanismos primitivos de engrenagem que os motoristas na época chamavam de "alface de transmissão". Desde a virada do século, experimentos foram realizados com a chamada "roda de fricção", que não possui embreagem nem marchas, e usa Nissan e Mazda em suas caixas de câmbio toroidais (que serão discutidas mais adiante). No entanto, as alternativas às rodas dentadas também apresentavam várias desvantagens sérias - as correias não suportavam cargas prolongadas e velocidades crescentes, elas rapidamente se soltavam e rasgavam e as "almofadas" das rodas de fricção eram submetidas a um desgaste muito rápido. De qualquer forma, logo após o surgimento da indústria automobilística, as engrenagens tornaram-se necessárias e permaneceram como a única opção nesta fase para transmitir torque por um período de tempo bastante longo.

O nascimento de uma transmissão mecânica

Leonardo da Vinci projetou e fabricou rodas dentadas para seus mecanismos, mas a produção de rodas dentadas fortes, razoavelmente precisas e duráveis tornou-se possível apenas em 1880, graças à disponibilidade de tecnologias metalúrgicas apropriadas para a criação de aços de alta qualidade e máquinas para usinagem de metais. precisão de trabalho relativamente alta. As perdas por atrito nas engrenagens são reduzidas para apenas 2 por cento! Foi nesse momento que se tornaram indispensáveis como parte da caixa de câmbio, mas o problema permaneceu com sua unificação e colocação no mecanismo geral. Um exemplo de solução inovadora é o Daimler Phoenix de 1897, no qual engrenagens de diversos tamanhos foram "montadas" em uma caixa de câmbio real, segundo os entendimentos atuais, que, além das quatro velocidades, também possui marcha à ré. Dois anos mais tarde, a Packard tornou-se a primeira empresa a utilizar o conhecido posicionamento da alavanca das mudanças nas extremidades da letra "H". Nas décadas seguintes, as engrenagens deixaram de existir, mas os mecanismos continuaram a ser aprimorados em nome de um trabalho mais fácil. Carl Benz, que equipou seus primeiros carros de produção com uma caixa de câmbio planetária, conseguiu sobreviver ao aparecimento das primeiras caixas de câmbio sincronizadas criadas por Cadillac e La Salle em 1929. Dois anos depois, os sincronizadores já estavam em uso pela Mercedes, Mathis, Maybach e Horch, e depois por outro Vauxhall, Ford e Rolls-Royce. Um detalhe - todos tinham uma primeira marcha não sincronizada, o que incomodava muito os motoristas e exigia habilidades especiais. A primeira caixa de câmbio totalmente sincronizada foi usada pelo inglês Alvis Speed Twenty em outubro de 1933 e foi criada pela famosa empresa alemã, que ainda leva o nome de "Gear Factory" ZF, a que nos referiremos com frequência em nossa história. Não foi até meados da década de 30 que os sincronizadores começaram a ser instalados em outras marcas, mas em carros e caminhões mais baratos, os motoristas continuaram a lutar com a alavanca de câmbio para mover e mudar de marcha. De fato, uma solução para o problema desse tipo de inconveniente foi buscada muito antes com a ajuda de várias estruturas de transmissão, também destinadas a engatar constantemente os pares de engrenagens e conectá-los ao eixo - no período de 1899 a 1910, De Dion Bouton desenvolveu uma transmissão interessante na qual as engrenagens são constantemente engrenadas e sua conexão com o eixo secundário é realizada por meio de pequenos acoplamentos. Panhard-Levasseur teve um desenvolvimento semelhante, mas em seu desenvolvimento, engrenagens permanentemente engatadas foram firmemente conectadas ao eixo por meio de pinos. Os designers, é claro, não pararam de pensar em como tornar as coisas mais fáceis para os motoristas e proteger os carros de danos desnecessários. Em 1914, os engenheiros da Cadillac decidiram que poderiam aproveitar a potência de seus enormes motores e equipar os carros com uma transmissão final ajustável que poderia mudar eletricamente e mudar a relação de transmissão de 4,04: para 2,5: 1.

As décadas de 20 e 30 foram uma época de incríveis invenções que fazem parte do constante acúmulo de conhecimento ao longo dos anos. Por exemplo, em 1931, a empresa francesa Cotal criou uma transmissão manual com deslocamento eletromagnético controlada por uma pequena alavanca no volante, que, por sua vez, foi combinada com uma pequena alavanca de marcha lenta colocada no chão. Mencionamos o último recurso porque permite que o carro tenha exatamente tantas marchas à frente quanto quatro marchas à ré. Naquela época, marcas de prestígio como Delage, Delahaye, Salmson e Voisin estavam interessadas na invenção de Kotal. Além da já mencionada "vantagem" bizarra e esquecida de muitas marchas de tração traseira modernas, esta incrível caixa de câmbio também tem a capacidade de "interagir" com um câmbio automático Fleschel que muda de marcha conforme a velocidade cai devido à carga do motor e é de fato uma das primeiras tentativas de automatizar o processo.

A maioria dos carros dos anos 40 e 50 tinha três marchas, pois os motores não passavam de 4000 rpm. Com o aumento das curvas de rotação, torque e potência, as três marchas não cobriam mais a faixa de rotação. O resultado foi um movimento desarmônico com uma transmissão "atordoante" característica ao levantar e forçar excessiva ao mudar para uma mais baixa. A solução lógica para o problema foi a mudança massiva para marchas de quatro marchas na década de 60, e as primeiras caixas de câmbio de cinco marchas nos anos 70 foram um marco significativo para os fabricantes, que orgulhosamente observaram a presença de tal caixa de câmbio junto com a imagem do modelo no carro. Recentemente, o dono de um clássico Opel Commodore disse-me que, quando comprou o carro, estava com 3 velocidades e uma média de 20 l / 100 km. Quando ele trocou a caixa de câmbio por uma de quatro marchas, o consumo era de 15 l / 100 km, e depois que ele finalmente conseguiu uma de cinco marchas, esta caiu para 10 litros.

Hoje, praticamente não há carros com menos de cinco marchas e seis velocidades estão se tornando a norma em versões superiores de modelos compactos. A sexta ideia na maioria dos casos é uma forte redução na velocidade em altas rotações e, em alguns casos, quando não é tão longa e a redução na velocidade cai durante a mudança. As transmissões de vários estágios têm um efeito particularmente positivo nos motores a diesel, cujas unidades têm um alto torque, mas uma faixa de operação significativamente reduzida devido à natureza fundamental do motor a diesel.

(seguir)

Texto: Georgy Kolev