Prueba de manejo La historia de las transmisiones de automóviles - Parte 1

En una serie de artículos, le contaremos sobre la historia de las transmisiones para automóviles y camiones, quizás como un guiño al 75 aniversario de la creación de la primera transmisión automática.

1993 Durante las pruebas previas a la carrera en Silverstone, el piloto de pruebas de Williams, David Coulthard, abandonó la pista para la siguiente prueba en el nuevo Williams FW 15C. En el pavimento mojado, el automóvil salpica por todas partes, pero aún así todos pueden escuchar el extraño sonido monótono de alta velocidad de un motor de diez cilindros. Obviamente, Frank William usa un tipo diferente de transmisión. Está claro para los ilustrados que esto no es más que una transmisión continuamente variable diseñada para satisfacer las necesidades de un motor de Fórmula 1. Más tarde resultó que fue desarrollado con la ayuda de los omnipresentes especialistas de Van Doorn. transmisión de la infección. Las dos compañías conspiradoras han invertido enormes recursos financieros y de ingeniería en este proyecto durante los últimos cuatro años para crear un prototipo completamente funcional que podría reescribir las reglas de la dinámica en la reina del deporte. En el vídeo de YouTube de hoy se pueden ver las pruebas de este modelo, y el propio Coulthard afirma que le gusta su trabajo, sobre todo en las curvas, donde no hay necesidad de perder el tiempo bajando de marcha, todo está a cargo de la electrónica. Desafortunadamente, todos los que trabajaron en el proyecto perdieron los frutos de su trabajo. Los legisladores se apresuraron a prohibir el uso de dichos pases en la Fórmula, supuestamente debido a una "ventaja injusta". Se cambiaron las reglas y las transmisiones CVT o CVT con correa en V pasaron a la historia con solo esta breve aparición. El caso está cerrado y Williams debería volver a las transmisiones semiautomáticas, que siguen siendo estándar en la Fórmula 1 y que, a su vez, supusieron una revolución a finales de los 80. Por cierto, allá por 1965, DAF con la transmisión Variomatic intentó ingresar a la pista de automovilismo, pero en ese momento el mecanismo era tan masivo que, incluso sin la intervención de factores subjetivos, estaba condenado al fracaso. Pero esa es otra historia.

Hemos citado repetidamente ejemplos de cuánta innovación en la industria automotriz moderna es el resultado de viejas ideas nacidas en la cabeza de personas extremadamente talentosas y exigentes. Debido a su naturaleza mecánica, las cajas de cambios son uno de los principales ejemplos de cómo pueden implementarse cuando es el momento adecuado. Hoy en día, la combinación de materiales y procesos de fabricación avanzados y el gobierno electrónico ha creado la oportunidad de soluciones increíblemente efectivas en todas las formas de transmisión. La tendencia hacia un menor consumo por un lado y la especificidad de nuevos motores con dimensiones reducidas (por ejemplo, la necesidad de superar rápidamente un orificio turbo) llevan a la necesidad de crear transmisiones automáticas con una gama más amplia de relaciones de transmisión y, en consecuencia, una gran cantidad de engranajes. Sus alternativas más asequibles son las CVT para automóviles pequeños, a menudo utilizadas por los fabricantes de automóviles japoneses, y las transmisiones manuales automáticas como Easytronic. Opel (también para coches pequeños). Los mecanismos de los sistemas híbridos en paralelo son específicos y, como parte de los esfuerzos de reducción de emisiones, la electrificación del impulso ocurre realmente en las transmisiones.

Un motor no puede prescindir de una caja de cambios

Hasta la fecha, la humanidad no ha inventado una forma más eficiente de transmisión directa de energía mecánica (excepto, por supuesto, los mecanismos hidráulicos y los sistemas eléctricos híbridos) que los métodos que utilizan correas, cadenas y engranajes. Por supuesto, existen innumerables variaciones sobre este tema, y puede comprender mejor su esencia enumerando los desarrollos más destacados en esta área en los últimos años.

El concepto de cambio electrónico, o conexión indirecta electrónica del mecanismo de control a la caja de cambios, está lejos de ser el último grito, porque en 1916 la empresa Pullman de Pensilvania creó una caja de cambios que cambia de marcha eléctricamente. Usando el mismo principio de funcionamiento en una forma mejorada, veinte años después se instaló en el vanguardista Cord 812, uno de los autos más futuristas y maravillosos, no solo en 1936, cuando se creó. Es bastante significativo que este cable se pueda encontrar en la portada de un libro sobre los logros del diseño industrial. Su transmisión transmite par desde el motor al eje delantero (!), y el cambio de marchas es una filigrana directa para la representación de la columna de dirección, que activa interruptores eléctricos especiales que activan un complejo sistema de dispositivos electromagnéticos con diafragmas de vacío, incluidos los engranajes. Los diseñadores de cables lograron combinar todo esto con éxito, y funciona muy bien no solo en teoría, sino también en la práctica. Era una verdadera pesadilla configurar la sincronización entre el cambio de marchas y el funcionamiento del embrague y, según la evidencia de la época, era posible enviar a un mecánico a un hospital psiquiátrico. Sin embargo, el Cord era un automóvil de lujo y sus propietarios no podían permitirse la actitud casual de muchos fabricantes modernos con respecto a la precisión de este proceso; en la práctica, la mayoría de las transmisiones automáticas (a menudo llamadas robóticas o semiautomáticas) cambian con un retraso característico, y a menudo ráfagas.

Nadie afirma que la sincronización es una tarea mucho más fácil con las transmisiones manuales más simples y extendidas hoy en día, porque la pregunta "¿Por qué es necesario usar un dispositivo así?" Tiene un carácter fundamental. La razón de este evento complejo, pero también la apertura de un nicho comercial de miles de millones, radica en la propia naturaleza del motor de combustión. A diferencia, por ejemplo, de una máquina de vapor, donde la presión del vapor suministrado a los cilindros puede cambiar con relativa facilidad, y su presión puede cambiar durante el arranque y el funcionamiento normal, o de un motor eléctrico, en el que un fuerte campo magnético impulsor también existe a velocidad cero por minuto (de hecho, entonces es la más alta, y debido a la disminución de la eficiencia de los motores eléctricos con el aumento de la velocidad, todos los fabricantes de transmisiones para vehículos eléctricos están desarrollando actualmente opciones de dos etapas) un interno El motor de combustión tiene una característica en la que la potencia máxima se alcanza a velocidades cercanas al máximo y el par máximo, en un rango de velocidades relativamente pequeño, en el que se producen los procesos de combustión más óptimos. También debe tenerse en cuenta que, en la vida real, el motor rara vez se utiliza en la curva de par máximo (correspondientemente en la curva de desarrollo de potencia máxima). Desafortunadamente, el par a bajas revoluciones es mínimo, y si la transmisión está conectada directamente, incluso con un embrague que se desacopla y permite arrancar, el automóvil nunca podrá realizar actividades como arrancar, acelerar y conducir a una amplia gama de velocidades. Aquí hay un ejemplo simple: si el motor transmite su velocidad 1: 1 y el tamaño de los neumáticos es 195/55 R 15 (por ahora, abstrayendo de la presencia del engranaje principal), entonces teóricamente el automóvil debería moverse a una velocidad de 320 kilometros / ha 3000 revoluciones del cigüeñal por minuto. Por supuesto, los coches tienen marchas directas o cerradas e incluso marchas ultralentas, en cuyo caso la transmisión final también entra en la ecuación y debe tenerse en cuenta. Sin embargo, si seguimos con la lógica original del razonamiento de conducir a una velocidad normal de 60 km / h en ciudad, el motor solo necesitará 560 rpm. Por supuesto, no existe un motor capaz de hacer tal hilo. Hay un detalle más: porque, puramente físicamente, la potencia es directamente proporcional al par y la velocidad (su fórmula también se puede definir como velocidad x par / cierto coeficiente), y la aceleración de un cuerpo físico depende de la fuerza que se le aplica. . , entienda, en este caso, la potencia, es lógico que para una aceleración más rápida necesitará velocidades más altas y más carga (p. ej. esfuerzo de torsión). Suena complicado, pero en la práctica esto significa lo siguiente: todos los conductores, incluso aquellos que no entienden nada de tecnología, saben que para adelantar rápidamente a un automóvil, es necesario bajar una o incluso dos marchas. Por lo tanto, es con la caja de cambios que entrega instantáneamente mayores revoluciones y, por lo tanto, más potencia para este propósito con el mismo grado de presión del pedal. Esta es la tarea de este dispositivo, teniendo en cuenta las características del motor de combustión interna, para garantizar su funcionamiento en el modo óptimo. Conducir en primera a una velocidad de 100 km / h será bastante antieconómico, y en sexta, apta para la pista, es imposible ponerse en marcha. No es una coincidencia que una conducción económica requiera cambios de marcha tempranos y que el motor funcione a plena carga (es decir, conducir ligeramente por debajo de la curva de par máximo). Los expertos utilizan el término "bajo consumo específico de energía", que se encuentra en el rango de revoluciones medio y cerca de la carga máxima. Luego, la válvula de mariposa de los motores de gasolina se abre más y reduce las pérdidas de bombeo, aumenta la presión del cilindro y, por lo tanto, mejora la calidad de las reacciones químicas. Las velocidades más bajas reducen la fricción y permiten más tiempo para llenar completamente. Los autos de carrera siempre corren a altas velocidades y tienen una gran cantidad de marchas (ocho en la Fórmula 1), lo que permite reducir la velocidad al cambiar y limita la transición a áreas con mucha menos potencia.

De hecho, puede prescindir de una caja de cambios clásica, pero ...

El caso de los sistemas híbridos y en particular de los sistemas híbridos como el Toyota Prius. Este automóvil no tiene una transmisión de ninguno de los tipos enumerados. ¡Prácticamente no tiene caja de cambios! Esto es posible porque las deficiencias antes mencionadas son compensadas por el sistema eléctrico. La transmisión se reemplaza por el llamado divisor de potencia, un engranaje planetario que combina un motor de combustión interna y dos máquinas eléctricas. Para las personas que no hayan leído la explicación selectiva de su funcionamiento en los libros sobre sistemas híbridos y en especial sobre la creación del Prius (estos últimos están disponibles en la versión online de nuestro sitio ams.bg), solo diremos que el mecanismo permite parte de la energía mecánica del motor de combustión interna para ser transferida directa, mecánica y parcialmente, ser convertida en eléctrica (con la ayuda de una máquina como generador) y nuevamente en mecánica (con la ayuda de otra máquina como motor eléctrico) . La genialidad de esta creación de Toyota (cuya idea original fue la empresa estadounidense TRW de los años 60) es brindar un alto par de arranque, lo que evita la necesidad de cambios muy bajos y permite que el motor funcione en modos eficientes. a máxima carga, simulando la marcha más alta posible, actuando siempre el sistema eléctrico como amortiguador. Cuando se requiere simulación de aceleración y cambio descendente, la velocidad del motor aumenta controlando el generador y, en consecuencia, su velocidad mediante un sofisticado sistema electrónico de control de corriente. Al simular marchas altas, incluso dos autos tienen que intercambiar roles para limitar la velocidad del motor. En este punto, el sistema entra en modo de "circulación de potencia" y su eficiencia se reduce significativamente, lo que explica la fuerte visualización del consumo de combustible de este tipo de vehículos híbridos a altas velocidades. Por lo tanto, esta tecnología es en la práctica un compromiso conveniente para el tráfico urbano, ya que es obvio que el sistema eléctrico no puede compensar por completo la ausencia de una caja de cambios clásica. Para resolver este problema, los ingenieros de Honda están utilizando una solución simple pero ingeniosa en su nuevo y sofisticado sistema híbrido híbrido para competir con Toyota: simplemente agregan una sexta transmisión manual que se activa en lugar del mecanismo híbrido de alta velocidad. Todo esto puede ser lo suficientemente convincente como para mostrar la necesidad de una caja de cambios. Por supuesto, si es posible con una gran cantidad de marchas, el hecho es que con el control manual simplemente no será cómodo para el conductor tener una gran cantidad y el precio aumentará. Por el momento, las transmisiones manuales de 7 velocidades como las que se encuentran en Porsche (basado en DSG) y Chevrolet Corvettes son bastante raras.

Todo comienza con cadenas y cinturones

Entonces, diferentes condiciones requieren ciertos valores de la potencia requerida en función de la velocidad y el par. Y en esta ecuación, la necesidad de un funcionamiento eficiente del motor y un consumo de combustible reducido, además de la tecnología moderna del motor, la transmisión se está convirtiendo en un desafío cada vez más importante.

Naturalmente, el primer problema que surge es el comienzo: en los primeros automóviles de pasajeros, la forma más común de caja de cambios era una transmisión por cadena, tomada prestada de una bicicleta, o una transmisión por correa que actuaba sobre poleas de diferentes diámetros. En la práctica, no hubo sorpresas desagradables en la transmisión por correa. No solo era tan ruidoso como sus compañeros de cadena, sino que tampoco podía romper los dientes, lo que se conocía por los primitivos mecanismos de engranajes a los que los conductores en ese momento se referían como "lechuga de transmisión". Desde el cambio de siglo, se han llevado a cabo experimentos con la llamada "tracción de rueda de fricción", que no tiene embrague ni engranajes, y utiliza Nissan y Mazda en sus cajas de cambios toroidales (que se discutirán más adelante). Sin embargo, las alternativas a las ruedas dentadas también tenían una serie de inconvenientes graves: las correas no podían soportar cargas prolongadas y velocidades crecientes, se aflojaban y rompían rápidamente, y las "almohadillas" de las ruedas de fricción se desgastaban demasiado rápido. En cualquier caso, poco después del surgimiento de la industria automotriz, los engranajes se hicieron necesarios y siguieron siendo la única opción en esta etapa para transmitir par durante un período de tiempo bastante largo.

El nacimiento de una transmisión mecánica

Leonardo da Vinci diseñó y fabricó ruedas dentadas para sus mecanismos, pero la producción de ruedas dentadas fuertes, razonablemente precisas y duraderas solo fue posible en 1880 gracias a la disponibilidad de tecnologías metalúrgicas apropiadas para crear aceros y máquinas para trabajar metales de alta calidad. precisión de trabajo relativamente alta. ¡Las pérdidas por fricción en los engranajes se reducen a solo un 2 por ciento! Este fue el momento en que se volvieron indispensables como parte de la caja de cambios, pero el problema seguía siendo su unificación y colocación en el mecanismo general. Un ejemplo de solución innovadora es el Daimler Phoenix de 1897, en el que se "ensamblaban" engranajes de varios tamaños en una caja de cambios real, según el conocimiento actual, que, además de cuatro velocidades, también tiene una marcha atrás. Dos años más tarde, Packard se convirtió en la primera empresa en utilizar el conocido posicionamiento de la palanca de cambios en los extremos de la letra "H". En las décadas siguientes, los engranajes dejaron de serlo, pero los mecanismos continuaron mejorando en nombre de un trabajo más fácil. Carl Benz, que equipó sus primeros autos de producción con una caja de cambios planetaria, logró sobrevivir a la aparición de las primeras cajas de cambios sincronizadas desarrolladas por Cadillac y La Salle en 1929. Dos años más tarde, Mercedes, Mathis, Maybach y Horch ya utilizaban sincronizadores, y luego otros Vauxhall, Ford y Rolls-Royce. Un detalle: todos tenían una primera marcha no sincronizada, lo que molestaba mucho a los conductores y requería habilidades especiales. La primera caja de cambios totalmente sincronizada fue utilizada por el inglés Alvis Speed Twenty en octubre de 1933 y fue creada por la famosa empresa alemana, que aún lleva el nombre de "Gear Factory" ZF, al que a menudo nos referiremos en nuestra historia. No fue hasta mediados de la década de 30 que los sincronizadores comenzaron a instalarse en otras marcas, pero en autos y camionetas más baratos, los conductores continuaron luchando con la palanca de cambios para moverse y cambiar de marcha. De hecho, una solución al problema de este tipo de inconvenientes se buscó mucho antes con la ayuda de varias estructuras de transmisión, también destinadas a engranar constantemente pares de engranajes y conectarlos al eje: en el período de 1899 a 1910, De Dion Bouton desarrolló una transmisión interesante en la que los engranajes están constantemente engranados y su conexión al eje secundario se realiza mediante pequeños acoplamientos. Panhard-Levasseur tuvo un desarrollo similar, pero en su desarrollo, los engranajes acoplados permanentemente se conectaron firmemente al eje mediante pasadores. Los diseñadores, por supuesto, no dejaron de pensar en cómo facilitar las cosas a los conductores y proteger los coches de daños innecesarios. En 1914, los ingenieros de Cadillac decidieron que podían aprovechar la potencia de sus enormes motores y equipar los automóviles con una transmisión final ajustable que podía cambiar eléctricamente y cambiar la relación de transmisión de 4,04: a 2,5: 1.

Los años 20 y 30 fueron una época de increíbles inventos que forman parte de la constante acumulación de conocimientos a lo largo de los años. Por ejemplo, en 1931, la empresa francesa Cotal creó una transmisión manual de cambios electromagnéticos controlada por una pequeña palanca en el volante que, a su vez, se combinaba con una pequeña palanca de ralentí colocada en el piso. Mencionamos la última característica porque permite que el automóvil tenga exactamente tantas marchas hacia adelante como cuatro marchas hacia atrás. En ese momento, prestigiosas marcas como Delage, Delahaye, Salmson y Voisin se interesaron por el invento de Kotal. Además de la "ventaja" extraña y olvidada antes mencionada de muchas marchas modernas de tracción trasera, esta increíble caja de cambios también tiene la capacidad de "interactuar" con una palanca de cambios automática Fleschel que cambia de marcha a medida que la velocidad cae debido a la carga del motor y, de hecho, es uno de los primeros intentos de automatizar el proceso.

La mayoría de los coches de los años 40 y 50 tenían tres marchas, porque los motores no desarrollaban más de 4000 rpm. Con el aumento de revoluciones, par motor y curvas de potencia, las tres marchas ya no cubrían el rango de revoluciones. El resultado fue un movimiento discordante con una característica transmisión "aturdidora" al levantar y un forzamiento excesivo al cambiar a uno más bajo. La solución lógica al problema fue el cambio masivo a cuatro velocidades en los años 60, y las primeras cajas de cambios de cinco velocidades en los años 70 fueron un hito importante para los fabricantes, que notaron con orgullo la presencia de dicha caja de cambios junto con la imagen del modelo en el automóvil. Recientemente, el dueño de un Opel Commodore clásico me dijo que cuando compró el auto, iba en 3 marchas y promediaba 20 l / 100 km. Cuando sustituyó la caja de cambios por una de cuatro velocidades, el consumo era de 15 l / 100 km, y tras conseguir finalmente una de cinco velocidades, esta última bajó a 10 litros.

Hoy en día, prácticamente no hay automóviles con menos de cinco marchas, y las seis velocidades se están convirtiendo en la norma en las versiones superiores de los modelos compactos. La sexta idea en la mayoría de los casos es una fuerte reducción de la velocidad a altas revoluciones, y en algunos casos, cuando no es tan largo y la reducción de la velocidad disminuye al cambiar. Las transmisiones de etapas múltiples tienen un efecto particularmente positivo en los motores diesel, cuyas unidades tienen un par alto, pero un rango de operación significativamente reducido debido a la naturaleza fundamental del motor diesel.

(seguir)

Texto: Georgy Kolev