נסיעת מבחן ההיסטוריה של תיבות הילוכים לרכב - חלק 1

בסדרת כתבות נספר לכם על ההיסטוריה של תיבות ההילוכים למכוניות ומשאיות – אולי כקריצה לרגל 75 שנה ליצירת תיבת ההילוכים האוטומטית הראשונה.

1993 במהלך מבחן טרום מירוץ בסילברסטון, נהג המבחן של וויליאמס דיוויד קולטהרד עזב את המסלול למבחן הבא בוויליאמס FW 15C החדש. על מדרכה רטובה, המכונית ניתזת לכל עבר, אבל עדיין כולם יכולים לשמוע את הצליל המונוטוני המונוטוני המוזר של מנוע עשרה צילינדרים. ברור שפרנק וויליאם משתמש בשידור מסוג אחר. ברור לנאורים שמדובר בלא יותר מאשר תיבת הילוכים רציפה שנועדה לענות על צרכיו של מנוע פורמולה 1. מאוחר יותר התברר שהיא פותחה בעזרת מומחי ואן דורן שנמצאים בכל מקום. העברת זיהום. שתי החברות הקונספירטיביות הזרימו משאבים הנדסיים ופיננסיים אדירים לפרויקט הזה במהלך ארבע השנים האחרונות כדי ליצור אב טיפוס פונקציונלי לחלוטין שיוכל לשכתב את כללי הדינמיקה במלכת הספורט. בסרטון היוטיוב היום אפשר לראות את המבחנים של הדגם הזה, וקולטהרד עצמו טוען שהוא אוהב את עבודתה - במיוחד בפינה, שבה אין צורך לבזבז זמן בהורדת הילוך - הכל מטופל באלקטרוניקה. לרוע המזל, כל מי שעבד על הפרויקט איבד את פירות עמלו. המחוקקים מיהרו לאסור שימוש בכרטיסים כאלה בפורמולה, לכאורה בשל "יתרון לא הוגן". הכללים שונו ותמסורות CVT או CVT היו היסטוריה עם הופעה קצרה זו בלבד. התיק נסגר ווויליאמס צריכה לחזור לתיבות הילוכים חצי אוטומטיות, שעדיין סטנדרטיות בפורמולה 1 ואשר, בתורה, הפכה למהפכה בסוף שנות ה-80. אגב, עוד ב-1965, DAF עם תיבת ההילוכים Variomatic עשתה ניסיונות להיכנס למסלול הספורט המוטורי, אבל באותה תקופה המנגנון היה כל כך מאסיבי שגם ללא התערבות של גורמים סובייקטיביים הוא נידון לכישלון. אבל זה כבר סיפור אחר.

הבאנו שוב ושוב דוגמאות לכמה חדשנות בתעשיית הרכב המודרנית היא תוצאה של רעיונות ישנים שנולדים בראשם של אנשים מחוננים ובעלי אבחנה רבה. בשל אופיים המכני, תיבות ההילוכים הן אחת הדוגמאות המובהקות ביותר ליישומן כאשר הזמן הנכון. כיום, השילוב של חומרים מתקדמים ותהליכי ייצור וממשל אלקטרוני יצר את ההזדמנות לפתרונות יעילים להפליא בכל צורות השידור. המגמה לצריכה נמוכה יותר מצד אחד והספציפיות של מנועים חדשים עם ממדים מופחתים (למשל הצורך להתגבר במהירות על חור טורבו) מובילים לצורך ביצירת תיבות הילוכים אוטומטיות עם טווח רחב יותר של יחסי העברה ובהתאם לכך, מספר רב של הילוכים. האלטרנטיבות הזולות יותר שלהן הן CVT למכוניות קטנות, המשמשות לרוב יצרניות רכב יפניות, ותיבות הילוכים ידניות אוטומטיות כגון Easytronic. אופל (גם למכוניות קטנות). המנגנונים של מערכות היברידיות מקבילות הם ספציפיים, וכחלק מהמאמצים לצמצם פליטות, החשמל המניע למעשה מתרחש בתמסורות.

מנוע לא יכול להסתדר בלי תיבת הילוכים

עד היום האנושות לא המציאה דרך יעילה יותר להעברה ישירה של אנרגיה מכנית (למעט כמובן מנגנונים הידראוליים ומערכות חשמל היברידיות) מאשר שיטות המשתמשות בחגורות, שרשראות והילוכים. כמובן שיש אינספור וריאציות בנושא זה, ותוכלו להבין טוב יותר את מהותן על ידי פירוט ההתפתחויות הבולטות ביותר בתחום זה בשנים האחרונות.

הרעיון של העברה אלקטרונית, או חיבור אלקטרוני עקיף של מנגנון הבקרה לתיבת ההילוכים, רחוק מהצעקה האחרונה, מכיוון שבשנת 1916 יצרה חברת פולמן מפנסילבניה תיבת הילוכים המעבירה הילוכים חשמלית. תוך שימוש באותו עיקרון עבודה בצורה משופרת, עשרים שנה לאחר מכן הוא הותקן ב-Cord 812 האוונגרדי - אחת המכוניות העתידניות והנפלאות ביותר לא רק ב-1936, כאשר היא נוצרה. זה מספיק משמעותי שאפשר למצוא את החוט הזה על כריכת ספר על הישגי העיצוב התעשייתי. תיבת ההילוכים שלו מעבירה מומנט מהמנוע לסרן הקדמי (!), ומעבר ההילוכים הוא פיליגרן ישיר לייצוג אז של עמוד ההגה, המפעיל מתגים חשמליים מיוחדים המפעילים מערכת מורכבת של מכשירים אלקטרומגנטיים עם דיאפרגמות ואקום, כולל הילוכים. מעצבי חוטים הצליחו לשלב את כל זה בהצלחה, וזה עובד מצוין לא רק בתיאוריה, אלא גם בפרקטיקה. זה היה סיוט אמיתי להגדיר סנכרון בין העברת הילוכים לתפעול המצמד, ולפי עדויות התקופה אפשר היה לשלוח מכונאי לבית חולים פסיכיאטרי. עם זאת, ה-Cord הייתה מכונית יוקרה, ובעליה לא יכלו להרשות לעצמם את היחס האקראי של יצרנים מודרניים רבים לדיוק של תהליך זה - בפועל, רוב תיבות ההילוכים האוטומטיות (המכוניות לרוב רובוטיות או חצי אוטומטיות) עוברות בהשהיה אופיינית, ולעתים קרובות משבים.

אף אחד לא טוען שהסנכרון הוא משימה הרבה יותר קלה עם ההילוכים הידניים הפשוטים והנפוצים יותר כיום, כי השאלה "למה בכלל צריך להשתמש במכשיר כזה?" בעל אופי בסיסי. הסיבה לאירוע מורכב זה, אך גם פתיחת נישה עסקית למיליארדים, נעוצה בעצם מנוע הבעירה. שלא כמו למשל מנוע קיטור, שבו לחץ הקיטור המסופק לצילינדרים יכול להשתנות בקלות יחסית, והלחץ שלו יכול להשתנות במהלך התנעה ופעולה רגילה, או ממנוע חשמלי, שבו שדה מגנטי מניע חזק. קיים גם במהירות אפס לדקה (למעשה, אז הוא הגבוה ביותר, ובשל הירידה ביעילות של מנועים חשמליים עם עליית המהירות, כל יצרני ההילוכים לרכב חשמלי מפתחים כיום אפשרויות דו-שלביות) פנימית למנוע בעירה מאפיין בו הספק מירבי מושג במהירויות הקרובות למקסימום, והמומנט המרבי - בטווח מהיר יחסית קטן, בו מתרחשים תהליכי הבעירה האופטימליים ביותר. כמו כן יש לציין כי בחיים האמיתיים, המנוע משמש לעתים נדירות בעקומת המומנט המרבית (בהתאמה, בעקומת פיתוח הכוח המקסימלית). למרבה הצער, המומנט בסיבובים נמוכים הוא מינימלי, ואם התיבה מחוברת ישירות, אפילו עם מצמד שמתנתק ומאפשר התנעה, המכונית לעולם לא תוכל לבצע פעילויות כמו התנעה, האצה ונסיעה בטווח מהיר רחב. הנה דוגמה פשוטה - אם המנוע משדר את המהירות שלו 1:1, וגודל הצמיג הוא 195/55 R 15 (בינתיים, בהפשטה מנוכחות ההילוך הראשי), אז תיאורטית המכונית צריכה לנוע במהירות של 320 ק"מ. בשעה 3000 סיבובי גל ארכובה לדקה. כמובן שלמכוניות יש הילוכים ישירים או צמודים ואפילו הילוכי זחילה, ובמקרה זה גם הכונן הסופי נכנס למשוואה ויש לקחת אותו בחשבון. עם זאת, אם נמשיך בלוגיקה המקורית של ההנמקה לגבי נסיעה במהירות רגילה של 60 קמ"ש בעיר, המנוע יצטרך 560 סל"ד בלבד. כמובן, אין מנוע שמסוגל לעשות חוט כזה. יש עוד פרט אחד - כי מבחינה פיזיקלית גרידא, ההספק עומד ביחס ישר למומנט ולמהירות (ניתן להגדיר את הנוסחה שלו גם כמהירות x מומנט / מקדם מסוים), והתאוצה של גוף פיזי תלויה בכוח המופעל עליו. . , הבין, במקרה זה, כוח, זה הגיוני שכדי להאיץ מהיר יותר תזדקק למהירויות גבוהות יותר ולעומס גדול יותר (כלומר עֲנָק). זה נשמע מסובך, אבל בפועל זה אומר את הדברים הבאים: כל נהג, אפילו אחד שלא מבין כלום בטכנולוגיה, יודע שכדי לעקוף במהירות מכונית, אתה צריך להעביר הילוך אחד או אפילו שני נמוך יותר. לפיכך, זה עם תיבת ההילוכים שהיא מספקת באופן מיידי סל"ד גבוה יותר ולכן יותר כוח למטרה זו עם אותו לחץ דוושה. זוהי המשימה של מכשיר זה - תוך התחשבות במאפיינים של מנוע הבעירה הפנימית, כדי להבטיח את פעולתו במצב האופטימלי. נסיעה בהילוך ראשון במהירות של 100 קמ"ש תהיה די חסכונית, ובשישית, המתאימה למסלול, אי אפשר לצאת לדרך. לא במקרה נהיגה חסכונית מחייבת העברת הילוכים מוקדמת והמנוע פועל בעומס מלא (כלומר, נהיגה מעט מתחת לעיקול המומנט המרבי). מומחים משתמשים במונח "צריכת אנרגיה ספציפית נמוכה", שנמצא בטווח הסיבוב האמצעי וקרוב לעומס המרבי. ואז שסתום המצערת של מנועי הבנזין נפתח רחב יותר ומפחית את הפסדי השאיבה, מגביר את לחץ הגליל ובכך משפר את איכות התגובות הכימיות. מהירויות איטיות יותר מפחיתות את החיכוך ומאפשרות יותר זמן להתמלא לחלוטין. מכוניות מרוץ פועלות תמיד במהירות גבוהה ויש להן מספר גדול של הילוכים (שמונה בפורמולה 1), מה שמאפשר הורדת מהירות בעת העברה ומגביל את המעבר לאזורים עם פחות כוח משמעותית.

למעשה, זה יכול להסתדר בלי תיבת הילוכים קלאסית, אבל ...

המקרה של מערכות היברידיות ובפרט מערכות היברידיות כמו טויוטה פריוס. לרכב זה אין תיבת הילוכים מאף אחד מהסוגים הרשומים. אין לו כמעט תיבת הילוכים! הדבר אפשרי מכיוון שעל הליקויים האמורים מפצה מערכת החשמל. את תיבת ההילוכים מחליף מה שנקרא מפצל כוח, גיר פלנטרי המשלב מנוע בעירה פנימית ושתי מכונות חשמליות. לאנשים שלא קראו את ההסבר הסלקטיבי על פעולתו בספרים על מערכות היברידיות ובמיוחד על יצירת הפריוס (האחרונים זמינים בגרסה המקוונת של האתר שלנו ams.bg), נאמר רק שהמנגנון מאפשר חלק מהאנרגיה המכנית של מנוע הבעירה הפנימית שיועבר ישירות, מכנית וחלקית, יומר לחשמלי (בעזרת מכונה אחת כגנרטור) ושוב למכני (בעזרת מכונה אחרת כמנוע חשמלי) . הגאונות של יצירה זו של טויוטה (שהרעיון המקורי שלה היה חברת TRW האמריקאית משנות ה-60) היא לספק מומנט התנעה גבוה, המונע את הצורך בהילוכים נמוכים מאוד ומאפשר למנוע לפעול במצבים יעילים. בעומס מירבי, המדמה את ההילוך הגבוה ביותר האפשרי, כאשר המערכת החשמלית תמיד פועלת כחיץ. כאשר נדרשת סימולציה של האצה והורדת הילוך, מהירות המנוע מוגברת על ידי שליטה על הגנרטור ובהתאם, על ידי מהירותו באמצעות מערכת בקרת זרם אלקטרונית מתוחכמת. כאשר מדמים הילוכים גבוהים, אפילו שתי מכוניות צריכות להחליף תפקידים כדי להגביל את מהירות המנוע. בשלב זה, המערכת נכנסת למצב "זרימת כוח" ויעילותה מופחתת משמעותית, מה שמסביר את התצוגה החדה של צריכת הדלק של רכבים היברידיים מסוג זה במהירויות גבוהות. לפיכך, טכנולוגיה זו מהווה בפועל פשרה נוחה לתנועה עירונית, שכן ברור שמערכת החשמל אינה יכולה לפצות באופן מלא על היעדר תיבת הילוכים קלאסית. כדי לפתור בעיה זו, מהנדסי הונדה משתמשים בפתרון פשוט אך גאוני במערכת ההיברידית המתוחכמת החדשה שלהם כדי להתחרות בטויוטה - הם פשוט מוסיפים תיבת הילוכים ידנית שישית שמתחברת במקום המנגנון ההיברידי המהיר. כל זה עשוי להיות משכנע מספיק כדי להראות את הצורך בתיבת הילוכים. כמובן שאם אפשר עם מספר רב של הילוכים - העובדה היא שעם שליטה ידנית פשוט לא יהיה נוח לנהג לקבל מספר גדול, והמחיר יעלה. נכון לעכשיו, תיבות 7 הילוכים ידניות כמו אלו שנמצאות בפורשה (על בסיס DSG) ושברולט קורבטות הן נדירות למדי.

הכל מתחיל בשרשראות וחגורות

לכן, תנאים שונים דורשים ערכים מסוימים של הכוח הנדרש בהתאם למהירות ולמומנט. ובמשוואה זו, הצורך בתפעול מנוע יעיל והפחתת צריכת הדלק, בנוסף לטכנולוגיית המנוע המודרנית, ההולכה הופכת לאתגר חשוב יותר ויותר.

מטבע הדברים, הבעיה הראשונה שמתעוררת היא התנעה - במכוניות הנוסעים הראשונות, הצורה הנפוצה ביותר של תיבת הילוכים הייתה הנעת שרשרת, שהושאלה מאופניים, או הנעת רצועה הפועלת על גלגלות רצועות בקטרים ​​שונים. בפועל לא היו הפתעות לא נעימות בהנעת הרצועה. לא רק שהוא רועש כמו שותפיו לרשת, אלא גם לא הצליח לשבור שיניים, מה שהיה מוכר ממנגנוני ההילוכים הפרימיטיביים שנהגים כינו אז "חסה תמסורת". מאז תחילת המאה נערכו ניסויים במה שמכונה "הנעת חיכוך", שאין לה מצמד או הילוכים, ומשתמשת בניסאן ומאזדה בתיבות ההילוכים הטורואידאליות שלהן (עליהן נדון בהמשך). עם זאת, לחלופות לגלגלי גלגלי שיניים היו גם מספר חסרונות רציניים – הרצועות לא עמדו בעומסים ממושכים ובמהירות הולכת וגוברת, הן השתחררו ונקרעו במהירות, וה"רפידות" של גלגלי החיכוך היו נתונים לבלאי מהיר מדי. בכל מקרה, זמן קצר לאחר שחר תעשיית הרכב, הפכו הילוכים הכרחיים ונשארו האופציה היחידה בשלב זה להעברת מומנט במשך תקופה ארוכה למדי.

לידתו של תיבת הילוכים מכנית

לאונרדו דה וינצ'י תכנן וייצר הילוכים למנגנונים שלו, אך ייצור הילוכים חזקים, מדויקים ועמידים למדי התאפשר רק בשנת 1880 הודות לזמינות הטכנולוגיות המתכות המתאימות ליצירת פלדות ומכונות לעיבוד מתכות. דיוק גבוה יחסית של עבודה. אובדן החיכוך בהילוכים צומצם ל -2 אחוזים בלבד! זה היה הרגע שבו הם הפכו להיות הכרחיים כחלק מתיבת ההילוכים, אך הבעיה נותרה באיחודם ובמיקומם במנגנון הכללי. דוגמא לפתרון חדשני היא דיימלר הפניקס משנת 1897, שבה "הורכבו" הילוכים בגדלים שונים לכדי ממש, לפי ההבנה של היום, תיבת הילוכים, אשר בנוסף לארבע מהירויות, יש לה גם הילוך לאחור. שנתיים לאחר מכן, הפכה פקרד לחברה הראשונה שמשתמשת במיקום הידוע של ידית ההילוכים בקצות האות "H". בעשורים הבאים, ההילוכים לא היו עוד, אך המנגנונים המשיכו להשתפר בשם העבודה הקלה יותר. קרל בנץ, שציייד את מכוניות הייצור הראשונות שלו בתיבת הילוכים פלנטרית, הצליח לשרוד את הופעתן של תיבות ההילוכים המסונכרנות הראשונות שפותחו על ידי קאדילק ולה לה סאלה בשנת 1929. שנתיים לאחר מכן, סנכרון כבר היה בשימוש על ידי מרצדס, מתיס, מייבאך והורץ ', ולאחר מכן ווקסהול נוספת, פורד ורולס רויס. פרט אחד - לכולם היה הילוך ראשון לא מסונכרן, מה שעצבן מאוד את הנהגים ודרש כישורים מיוחדים. תיבת ההילוכים הראשונה המסונכרנת במלואה שימשה את Alvis Speed ​​Twenty האנגלית באוקטובר 1933 ונוצרה על ידי החברה הגרמנית המפורסמת, שעדיין נושאת את השם "Gear Factory" ZF, שאליו נתייחס לעתים קרובות בסיפור שלנו. רק באמצע שנות השלושים החלו להתקין סנכרון על מותגים אחרים, אך במכוניות ומשאיות זולות יותר, המשיכו הנהגים להיאבק בידית ההילוכים לזוז ולהעביר הילוכים. למעשה, פתרון לבעיית אי נוחות מסוג זה חיפש הרבה קודם לכן בעזרת מבני תמסורת שונים, שמטרתם גם היא להתחבר ללא הרף בין זוגות גלגלי שיניים ולחברם לפיר - בתקופה שבין 1899 ל-1910, דה דיון בוטון. פיתח תמסורת מעניינת שבה גלגלי השיניים מתערבבים כל הזמן, והחיבור שלהם לציר המשני מתבצע באמצעות צימודים קטנים. לפנהרד-לבאסור הייתה התפתחות דומה, אך בהתפתחותם, הילוכים המעורבים באופן קבוע היו מחוברים היטב לפיר באמצעות סיכות. המעצבים, כמובן, לא הפסיקו לחשוב כיצד להקל על הנהגים ולהגן על המכוניות מפני נזקים מיותרים. בשנת 1914, מהנדסי קדילאק החליטו שהם יכולים לרתום את הכוח של המנועים הענקיים שלהם ולצייד את המכוניות בכונן סופי מתכוונן שיכול להזיז חשמלית ולשנות את יחס ההילוכים מ -4,04: ל -2,5: 1.

שנות ה-20 וה-30 היו תקופה של המצאות מדהימות שהן חלק מהצטברות מתמדת של ידע לאורך השנים. לדוגמה, בשנת 1931, חברת Cotal הצרפתית יצרה תיבת הילוכים ידנית עם העברה אלקטרומגנטית שנשלטת על ידי ידית קטנה על גלגל ההגה, אשר, בתורה, שולבה עם ידית סרק קטנה שהונחה על הרצפה. אנו מזכירים את התכונה האחרונה מכיוון שהיא מאפשרת למכונית לקבל בדיוק כמו מספר הילוכים קדימה כמו שיש ארבעה הילוכים לאחור. באותה תקופה מותגים יוקרתיים כמו Delage, Delahaye, Salmson ו- Voisin התעניינו בהמצאה של קוטל. בנוסף ל"יתרון" המוזר והנשכח של הרבה הילוכים מודרניים עם הנעה אחורית, לתיבת ההילוכים המדהימה הזו יש גם את היכולת "לקיים אינטראקציה" עם מחליף פלשל אוטומטי שמעביר הילוך כשהמהירות יורדת עקב עומס המנוע והוא למעשה אחד הניסיונות הראשונים להפוך את התהליך לאוטומטי.

ברוב המכוניות משנות ה -40 וה -50 היו שלושה הילוכים מכיוון שהמנועים לא פיתחו יותר מ -4000 סל"ד. עם העלייה בסיבובי הסיבובים, המומנט וההספק, שלושת ההילוכים כבר לא כיסו את טווח הסיבוב. התוצאה הייתה תנועה דיסהרמונית עם תיבת הילוכים "מהממת" אופיינית בעת הרמה וכוח מוגזם בעת מעבר לתחתית. הפיתרון ההגיוני לבעיה היה המעבר המסיבי להילוכים עם ארבעה הילוכים בשנות ה -60, ותיבות ההילוכים הראשונות בשנות ה -70 היו אבן דרך משמעותית עבור היצרנים, שציינו בגאווה את נוכחותה של תיבת הילוכים כזו יחד עם תמונת הדגם על המכונית. לאחרונה הבעלים של אופל קומודור קלאסי סיפר לי שכאשר הוא קנה את המכונית הוא היה בשלושה הילוכים ובממוצע 3 ליטר / 20 ק"מ. כאשר החליף את תיבת ההילוכים לתיבת ארבע הילוכים, הצריכה הייתה 100 ליטר / 15 ק"מ, ולאחר שלבסוף קיבל חמש הילוכים, האחרון ירד ל -100 ליטר.

כיום אין כמעט מכוניות עם פחות מחמש הילוכים, ושש מהירויות הופכות לנורמה בגרסאות גבוהות יותר של דגמים קומפקטיים. הרעיון השישי ברוב המקרים הוא ירידה חזקה במהירות במהירות הסיבובים הגבוהה, ובמקרים מסוימים, כאשר הוא לא כל כך ארוך והירידה במהירות יורדת בעת מעבר. תיבות הילוכים רב-שלביות משפיעות באופן חיובי במיוחד על מנועי דיזל, ליחידות שלהם מומנט גבוה, אך טווח פעולה מופחת משמעותית בשל אופיו הבסיסי של מנוע הדיזל.

(לעקוב)

טקסט: ג'ורג'י קולב