Овердрайв (механика) - Overdrive (mechanics)
Овердрайв это операция автомобиль крейсерский на постоянной скорости с пониженным двигателем число оборотов в минуту (Об / мин), что приводит к лучшему расходу топлива, снижению шума и меньшему износу.[1] Термин употребляется неправильно, так как он применяется к нескольким различным, но связанным значениям.[1]
Наиболее фундаментальное значение - это общий передаточное число между двигателем и колесами, чтобы автомобиль чрезмерно настроенный, и не может достичь своей потенциальной максимальной скорости, то есть автомобиль мог бы двигаться быстрее, если бы он был на более низкой передаче, а двигатель вращался бы на более высоких оборотах.[1]
Назначение такого снаряжения может быть не сразу очевидным. В мощность производимая двигателем, увеличивается с частотой вращения двигателя до максимума, а затем падает. В точка максимальной мощности несколько ниже абсолютного максимального числа оборотов, которым ограничен двигатель, "Красная линия "Обороты в минуту. Скорость автомобиля ограничена мощностью, необходимой для его движения против сопротивления воздуха, которое увеличивается с увеличением скорости. На максимально возможной скорости двигатель работает на максимальной мощности, или пик мощности, и автомобиль движется со скоростью, при которой сопротивление воздуха равно этой максимальной мощности. Таким образом, существует одно конкретное передаточное число, при котором автомобиль может достичь максимальной скорости: такое, которое соответствует этой скорости двигателя и этой скорости движения.[1] На скоростях движения ниже этого максимума существует ряд передаточных чисел, которые могут согласовывать мощность двигателя с сопротивлением воздуха, и наиболее экономичным является тот, который приводит к самой низкой частоте вращения двигателя. Следовательно, автомобилю необходима одна передача для достижения максимальной скорости, а другая - для достижения максимальной топливной эффективности на более низкой скорости.
С ранним развитием автомобилей и почти универсальным задний привод макет, главная передача (т.е. задний мост ) соотношение для быстрых автомобилей было выбрано, чтобы дать соотношение для максимальной скорости. В коробка передач был спроектирован таким образом, чтобы для повышения эффективности самым быстрым передаточным числом было передаточное число «прямой привод» или «прямое соединение» 1: 1, что позволяет избежать потерь на трение в шестернях. Таким образом, для достижения повышенного передаточного числа для крейсерского движения требовалось еще более высокое передаточное число коробки передач, т. Е. Выходной вал коробки передач вращался. Быстрее чем двигатель. В карданный вал соединение коробки передач и задней оси, таким образом, перегружено, и трансмиссия, способная делать это, получила название трансмиссии с повышающей передачей.[1]
Устройство для достижения повышающей передачи обычно представляло собой небольшую отдельную коробку передач, прикрепленную к задней части основной коробки передач и управляемую собственным рычагом переключения передач.[1] Они часто были необязательными на некоторых моделях одного и того же автомобиля.
По мере того, как популярные автомобили становились быстрее относительно установленных законом ограничений, а стоимость топлива становилась все более важной, особенно после Нефтяной кризис 1973 года, использование пятиступенчатой коробки передач стало более распространенным в автомобилях массового потребления. У них была прямая (1: 1) четвертая передача с повышающей пятой передачей, что заменило необходимость в отдельной повышающей передаче.[1]
С популярностью передний привод автомобилей, раздельная коробка передач и главная передача объединились в единый коробка передач. Карданного вала больше нет, поэтому одно значение слова «повышающая передача» больше не может применяться. Однако фундаментальное значение общего передаточного числа выше, чем передаточное отношение максимальной скорости, по-прежнему сохраняется.[1] Хотя намеренное обозначение овердрайва сейчас редко, основная особенность теперь встречается во всех автомобилях.
Описание
Фон
Мощность, необходимая для приведения в движение автомобиля при любых условиях и скорости, легко вычислить, в первую очередь, на основе общего веса и скорости автомобиля. Они создают две основные силы, замедляющие автомобиль: сопротивление качению и сопротивление воздуха. Первое примерно зависит от скорости автомобиля, а второе - пропорционально квадрату скорости. Рассчитать их из первых принципов, как правило, сложно из-за множества реальных факторов, поэтому они часто измеряются непосредственно в аэродинамические трубы и подобные системы.
Мощность, производимая двигателем, увеличивается с увеличением числа оборотов двигателя до максимума, а затем падает. Это известно как точка максимальной мощности. Имея кривую, описывающую полное сопротивление транспортного средства, легко найти скорость, при которой общие силы сопротивления будут такими же, как максимальная мощность двигателя. Это определяет максимальную скорость, которую может развивать автомобиль. Скорость вращения колес для данной скорости движения легко вычислить, умножив длину окружности шины на число оборотов в минуту.[а] Поскольку число оборотов шины на максимальной скорости не совпадает с числом оборотов двигателя при этой мощности, коробка передач используется с передаточным числом для преобразования одного в другое.[b]
Даже на немного меньших скоростях, чем максимальная, общее сопротивление транспортного средства значительно меньше, и двигатель должен обеспечивать это значительно меньшее количество мощности. В этом случае частота вращения двигателя значительно изменилась, в то время как частота вращения колес изменилась очень мало. Очевидно, что это условие требует другого передаточного числа. Если он не поставляется, двигатель вынужден работать на более высоких оборотах, чем оптимальные. Поскольку двигателю требуется больше мощности для преодоления внутреннего трения при более высоких оборотах, это означает, что больше топлива используется просто для поддержания работы двигателя на этой скорости. Каждый цикл двигателя приводит к износу, поэтому поддержание высоких оборотов двигателя также неблагоприятно для срока службы двигателя. Кроме того, звук двигателя сильно зависит от оборотов, поэтому работа на более низких оборотах обычно тише.[1]
Если выполнить то же упражнение по передаче оборотов, описанное выше, для максимальной скорости, но вместо этого установить «максимальную скорость» равной скорости движения по шоссе, на выходе будет более высокое передаточное число, обеспечивающее идеальный расход топлива. В эпоху, когда автомобили не могли двигаться очень быстро, точка максимальной мощности могла быть достаточно близкой к желаемой скорости, поэтому дополнительные передачи не требовались. Но с появлением более мощных автомобилей, особенно в 1960-е годы, разница между максимальной мощностью и желаемой скоростью значительно увеличилась. Это означало, что автомобили часто работали далеко не в наиболее эффективном режиме. Как стремление к лучшему экономия топлива росла, особенно после Нефтяной кризис 1973 года потребность в "круизном снаряжении" стала более острой.[1]
Коробка передач против главной передачи
Очевидным решением этой проблемы было бы добавить в трансмиссию больше передач. Действительно, в современных автомобилях это обычное дело. Однако в силу исторических особенностей это не всегда было практичным.
В обычном заднеприводная компоновка система трансмиссии обычно состояла из двух частей: «коробка передач» или «трансмиссия», установленная за двигателем, и «главная передача», установленная в задний мост в задней части машины. Причина такого разделения обязанностей между передней и задней частью автомобиля заключалась в том, чтобы позволить приводной вал работать с меньшим крутящим моментом, используя более высокие обороты. Поскольку мощность является продуктом об / мин и крутящий момент работа вала на более высоких оборотах позволяла передавать больше мощности при меньшем крутящем моменте. Это уменьшило крутящий момент, который должен был выдерживать карданный вал, и, следовательно, необходимую прочность и вес.
Хотя конструктор теоретически мог выбирать любое передаточное число для коробки передач и главной передачи, есть еще одно дополнительное соображение, означающее, что высшая передача большинства коробок передач была 1: 1 или «прямой привод». Это выбрано из соображений эффективности, поскольку для передачи мощности не требуются шестерни, что снижает потери ими мощности. Это было особенно важно на заре автомобилей, поскольку их прямозубые шестерни были плохо обработаны, шумно и неэффективно. Затем главная передача взяла этот выходной сигнал и отрегулировала его в трансмиссии с фиксированным передаточным числом, которую было намного проще построить. Передаточное число главной передачи 4: 1 было обычным,[c] Это означает, что колеса будут вращаться на одну четверть быстрее, чем если бы они были напрямую связаны с двигателем.
Овердрайв
В эпоху, когда различные модели автомобилей с разными размерами колес можно было приспособить, просто изменяя передаточное число главной передачи, для всех трансмиссий имело смысл использовать прямой привод в качестве высшей передачи. Однако, как отмечалось ранее, это приведет к тому, что двигатель будет работать на слишком высоких оборотах для эффективного движения. Хотя добавление крейсерской передачи к основной коробке передач было возможно, в целом было проще добавить отдельную двухступенчатую систему повышающей передачи к существующей коробке передач. Это не только означало, что его можно было настраивать для различных транспортных средств, но и иметь дополнительное преимущество, заключающееся в том, что его можно было предложить как легко устанавливаемую опцию.
При использовании переднеприводной компоновки коробка передач и главная передача объединены в единую коробку передач. Между ними больше нет приводного вала, поэтому понятие «прямой привод» неприменимо. Хотя «повышающая передача» все еще упоминается, в настоящее время это в основном маркетинговый термин, обозначающий любое сверхвысокое передаточное число для эффективного движения, независимо от того, достигается ли оно за счет передаточных чисел коробки передач или за счет необычно высокой главной передачи.[d]
использование
Вообще говоря, повышающая передача - это самая высокая передача в трансмиссии. Повышающая передача позволяет двигателю работать на более низких оборотах при заданной скорости движения. Это позволяет автомобилю достичь более высокой топливной экономичности и часто более тихой работы на шоссе. Когда она включена, автоматическая трансмиссия может переключиться в режим повышенной передачи после достижения определенной скорости (обычно 70+ км / ч [40-45 миль / ч или более] в зависимости от нагрузки). Когда он выключен, переключение АКПП ограничивается низшими передачами. Повышенную передачу обычно следует выбирать, когда средняя скорость превышает 70 км / ч (40-45 миль / ч).
Автоматическая трансмиссия автоматически переключается с OD на прямой привод при увеличении нагрузки. Когда нагрузка меньше, он переключается обратно на OD. В определенных условиях, например, при движении в гору или буксировке прицепа, трансмиссия может «рыскать» между OD и следующей высшей передачей, переключаясь вперед и назад. В этом случае его выключение может помочь трансмиссии «решить». Также может быть полезно выключить его, если торможение двигателем желательно, например, при движении под гору. Руководство по эксплуатации транспортного средства часто содержит информацию и подходящие процедуры, касающиеся таких ситуаций, для каждого конкретного транспортного средства.
Практически все автомобили (легковые и грузовые) сегодня имеют повышенную передачу, будь то механическая коробка передач или автомат. На рынке запчастей для автомобилей вы также можете дооснастить существующие ранние трансмиссии. Овердрайв широко использовался в европейских автомобилях с механической коробкой передач в 60-х и 70-х годах для увеличения пробега и спортивного вождения в качестве варианта с болтовым креплением, но в более поздних трансмиссиях все чаще использовалась встроенная передача. Если автомобиль оборудован овердрайв с болтовым креплением (например: GKN или поставщики передач) в отличие от встроенного овердрайва обычно имеет возможность использовать повышающую передачу на большем количестве передач, чем только на высшей передаче. В этом случае переключение передач возможно на всех передачах даже при отключенной повышающей передаче. Овердрайв просто добавляет эффективный диапазон передач, таким образом, третья и четвертая повышающие передачи становятся фактически "третьей с половиной" и пятой передачей. На практике это дает водителю больше передаточных чисел, которые ближе друг к другу, обеспечивая большую гибкость, особенно в автомобилях с высокими характеристиками.
Как работает овердрайв
Повышающая передача состоит из привода с электрическим или гидравлическим приводом. планетарная передача поезд бросился за коробка передач единица. Он может либо соединить вход карданный вал непосредственно на выходной вал (или карданный вал ) (1: 1) или увеличьте выходную скорость так, чтобы она вращалась быстрее, чем входной вал (1: 1 +п). Таким образом, выходной вал может быть «перегружен» относительно входного вала. В более новых трансмиссиях повышенная (ые) скорость (ы) обычно является результатом комбинаций планетарных / планетарных передач, которые интегрированы в трансмиссию. Например, Коробка передач ZF 8HP имеет 8 передач переднего хода, две из которых являются повышающими (<1: 1) передаточными числами. В старых автомобилях он иногда приводится в действие ручкой или кнопкой, часто встроенной в ручку переключения передач, и не требует работы с схватить. В более новых автомобилях есть электронная повышающая передача, в которой компьютер автоматически подстраивается под условия потребности в мощности и нагрузке.
В Европе
Подавляющее большинство овердрайвов в Европейский автомобили были изобретены и разработаны Капитан Эдгар Дж. Де Норманвиль (1882–1968),[2] и изготовлен английский Компания Laycock Engineering (позже GKN Laycock), на его сайте Little London Road в Шеффилде. Система, разработанная де Норманвиллем, была принята и изготовлена Laycock после его случайной встречи с инженером Laycock Products. Овердрайв De Normanville был обнаружен в автомобилях, произведенных Стандарт-Триумф, которые были первыми, а затем Форд, BMC и British Leyland, Ягуар, Rootes Group и Вольво чтобы назвать лишь несколько. Еще одна британская компания, бывший авиастроитель Fairey, построил успешный полностью механический агрегат для Land Rover, который все еще производится в Америке.
Первым серийным автомобилем, оснащенным системой Laycock, был Standard Vanguard Saloon 1948 года. Первым созданным устройством был овердрайв A-типа, который устанавливался на многих спортивных автомобилях в 1950-х и в конце 1960-х годов. Несколько известных марок использовали овердрайв A-типа, включая Jaguar, Aston Martin, Ferrari, Austin-Healey, Jensen, Bristol, AC, Armstrong Siddeley и линейку спортивных автомобилей Triumph TR, от TR2 до конца 1972 модельного года. TR6.
В 1959 году Laycock Engineering Company представила овердрайв D-типа, который устанавливался на различные легковые автомобили, включая Volvo 120 и 1800-е годы, Солнечный Луч Альпийцев и Рапиры, Триумф Спитфайрс, а также 1962–1967 гг. МГБ (с 3-синхронными коробками передач).
С 1967 года был введен овердрайв LH-типа, который использовался в различных моделях, включая 1968–1980 гг. МГБ, то MGC, то Форд Зефир, рано Надежные ятаганы, TVR и Gilberns.
Овердрайв J-типа был представлен в конце 1960-х годов и был адаптирован для автомобилей Volvo, Triumph, Vauxhall / Opel, American Motors и Chrysler, а также Форд Транзит фургоны.
Овердрайв P-type стал последним обновлением и включал в себя версию Gear Vendors для США и версию Volvo. Версия Volvo сохранила тот же размер упаковки, что и J-type, но с обновленными 18 элементами. свободный ход и более прочные шлицы через носитель планетарной передачи. Версия Gear Vendors для США использует выходной вал большего диаметра 1,375 для большей производительности и более длинной задней части.
За 40 лет Laycock Engineering произвела более трех с половиной миллионов единиц повышающей передачи, и более миллиона из них были установлены на автомобили Volvo.
В 2008 году американская компания Gear Vendors, Inc.[3] из Эль-Кахон, Калифорния приобрели все овердрайвные активы GKN, чтобы продолжить производство версии для США и всех запчастей для типов J и P по всему миру.
Система оснащена устройством, работающим под давлением масла, прикрепленным к задней части стандартной коробки передач, работающим на выходном валу коробки передач. Благодаря системе давления масла, соленоидов и поршней, повышающая передача понижала обороты на любых передачах, на которых он использовался, на 22% (0,778). Например, система овердрайва применима к Триумф TR5 работает на 2-й, 3-й и высшей передаче. При включении повышающая передача снизит обороты с 3000 на 666 об / мин, или с 3500 - с 777 об / мин до 2723 об / мин. Преимущество этого снижения числа оборотов в расходе топлива чаще всего заключалось в снижении почти на 22% во время движения по шоссе.
В Северной Америке
До того, как автоматические трансмиссии стали обычным явлением, особенно в 1950-х годах, многие задний привод Американские автомобили были доступны с опцией повышающей передачи. С существенными улучшениями, разработанными в Манси, Индиана Уильяма Б. Барнса для производства Warner Gear Division, BorgWarner предусмотрена коробка, которая была установлена на заводе между трансмиссией и карданным валом в укороченном виде. Так как функцию ускорения, если она включена, можно переключить, просто ослабив педаль акселератора, не нажимая кнопку педаль сцепления, действие было очень похоже на полуавтоматический. Кроме того, соленоид с электроприводом отключит устройство с помощью переключателя под педалью акселератора, обеспечивая эквивалент удар вниз автомат. Ручка, подключенная к трос Боудена аналогично некоторым системам экстренного торможения, также предусматривалось механическое блокирование агрегата. Использование повышающей передачи с основной 3-ступенчатой трансмиссией на 2-й передаче было аналогично передаточному отношению 3-й передачи, а с основной трансмиссией на 3-й передаче общее передаточное число было дробным (то есть «истинным перегрузом»). Это было важно для уменьшения износа, шума и трудностей с управлением.
Такие дополнительные овердрайв-боксы были доступны с 1930-х по 1970-е годы для легковых и легких грузовиков.
Сегодня большинство легковых и грузовых автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем оснащаются трансмиссией с повышающей передачей, поскольку это способствует экономии топлива.[нужна цитата ] Овердрайв включен как в автоматическую, так и в механическую трансмиссии в качестве дополнительной передачи (или двух в некоторых случаях).
Экономия топлива и износ трансмиссии
При использовании повышающей передачи частота вращения двигателя падает, что снижает износ и обычно экономит топливо. С 1981 г. средняя экономия топлива по компании (CAFE) практически во всех отечественных транспортных средствах предусмотрена повышающая передача для экономии топлива. Следует обратиться к руководству по эксплуатации автомобиля, чтобы определить правильную скорость для работы с перегрузкой. Все двигатели имеют диапазон пикового КПД, и использование повышающей передачи позволяет удерживать двигатель вне этого диапазона в течение всего или части времени его использования, если используется на несоответствующих скоростях, тем самым сокращая любую экономию топлива за счет более низких скорость двигателя.
Общее снижение трансмиссии сводится к трем основным факторам: передаче трансмиссии (включая повышающую передачу), передаче дифференциала (в оси) и размеру шин. Проблема скорости вращения возникает, когда дифференциальная передача имеет высокое передаточное отношение и для компенсации используется повышающая передача. Это может вызвать неприятные вибрации на высоких скоростях и возможное разрушение приводного вала из-за центростремительных сил или неравномерного баланса.
Приводной вал обычно представляет собой полую металлическую трубку, которая требует балансировки для уменьшения вибрации и не содержит внутренних распорок.
Более высокие скорости на приводном валу и связанных с ним деталях могут вызвать проблемы с нагревом и износом, если объединить повышающую передачу и высокую дифференциальную передачу (или даже очень маленькие шины), и создать ненужное трение. Это особенно важно, потому что дифференциальные шестерни залиты тяжелым маслом и редко имеют какое-либо охлаждение, кроме обдува корпуса воздухом.
Стимул состоит в том, чтобы свести к минимуму использование перегрузки и обеспечить первую передачу с более высоким передаточным числом, что означает большее количество передач между первой и последней, чтобы двигатель оставался на наиболее эффективной скорости. Это одна из причин того, что современные автомобили, как правило, имеют в трансмиссиях большее количество передач. Это также является причиной того, что в транспортном средстве редко встречается более одной повышающей передачи, за исключением особых обстоятельств, например, когда требуется высокая (числовая) дифференциальная передача, чтобы заставить транспортное средство двигаться, как в грузовиках или высокопроизводительных автомобилях, хотя двойные повышающие передачи распространены в других транспортных средствах, часто с небольшим числом на редукторе оси, но обычно включаются только на скоростях, превышающих 100 километров в час (62 мили в час).
Примечания
- ^ Например, 15-дюймовое колесо с шинами 215/65 имеет диаметр около 26 дюймов или окружность около 82 дюймов. На скорости 100 миль в час или 1760 дюймов в секунду колесо будет вращаться 21,5 раза в секунду, или чуть менее 1300 оборотов в минуту.
- ^ Используя приведенный выше пример, на скорости 100 миль в час двигателю может потребоваться скорость 5000 об / мин для выработки необходимой мощности для поворота шин со скоростью 1300 об / мин. В этом случае подойдет трансмиссия с передаточным числом 4: 1.
- ^ Это соотношение варьируется между автомобилями от 3,5: 1 до 5: 1. Американские автомобили с крупно-медленными двигателями будут использовать более высокие передаточные числа, европейские компактные автомобили с небольшими высокооборотными двигателями будут ниже. Часто передаточное число главной передачи варьировалось между моделями в пределах диапазона, причем «спортивная» модель имела более низкое передаточное число.
- ^ Небольшие автомобили Volkswagen 1980-х годов, такие как Polo, продавались на экологически сознательном рынке с максимальным передаточным числом повышающей передачи, обозначенным на переключателе передач буквой «E», по-разному описываемым как «Эффективность», «Экономичность» или «Окружающая среда».