Повышенная передача — это работа автомобиля, движущегося на постоянной скорости с пониженным числом оборотов двигателя в минуту (об/мин), что приводит к снижению расхода топлива, снижению шума и износу. [1] Этот термин неоднозначен. [1] Самый фундаментальный смысл заключается в том, что общее передаточное число между двигателем и колесами такое, что автомобиль перегружен и не может достичь своей потенциальной максимальной скорости, то есть автомобиль мог бы двигаться быстрее, если бы он был на более низкой передаче, при вращении двигателя на более высоких оборотах. [1]
Мощность , вырабатываемая двигателем, увеличивается с увеличением оборотов двигателя до максимума, а затем падает. Точка максимальной мощности несколько ниже абсолютного максимального числа оборотов в минуту, которым ограничен двигатель, « красной линии » числа оборотов в минуту. Скорость автомобиля ограничена мощностью, необходимой для преодоления сопротивления воздуха, которое увеличивается с увеличением скорости. На максимально возможной скорости двигатель работает в точке максимальной мощности или пика мощности , а 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: то, которое соответствует скорости вращения двигателя и скорости движения. [1] На скоростях ниже этого максимума существует ряд передаточных чисел, которые могут привести мощность двигателя в соответствие с сопротивлением воздуха, и наиболее экономичным является то, которое приводит к самой низкой частоте вращения двигателя. Следовательно, автомобилю нужна одна передача для достижения максимальной скорости, а другая — для достижения максимальной топливной экономичности на более низкой скорости.
С ранним развитием автомобилей и почти универсальной компоновкой заднего привода передаточное число главной передачи (т. е. задней оси ) для быстрых автомобилей было выбрано так, чтобы обеспечить передаточное число для максимальной скорости. Коробка передач была спроектирована таким образом, чтобы в целях повышения эффективности самым быстрым передаточным числом было передаточное число «прямой передачи» или «прямой привод» 1: 1, позволяющее избежать потерь на трение в шестернях. Таким образом, для достижения передаточного числа повышающей передачи для крейсерского движения требовалось еще более высокое передаточное число коробки передач, то есть выходной вал коробки передач вращался быстрее, чем двигатель. Таким образом, карданный вал , соединяющий коробку передач и заднюю ось, имеет повышенную передачу, и трансмиссия, способная это делать, стала называться трансмиссией с повышающей передачей. [1]
Устройство для достижения повышающей передачи обычно представляло собой небольшую отдельную коробку передач, прикрепленную к задней части главной коробки передач и управляемую собственным рычагом переключения передач. [1] Они часто были дополнительными на некоторых моделях одного и того же автомобиля.
Поскольку популярные автомобили стали быстрее относительно установленных законом ограничений, а стоимость топлива стала более важной, особенно после нефтяного кризиса 1973 года , использование пятиступенчатых коробок передач стало более распространенным в автомобилях массового рынка. У них была прямая (1:1) четвертая передача с повышающей пятой передачей, что заменяло необходимость в отдельной повышающей передаче. [1]
С ростом популярности переднеприводных автомобилей раздельные коробка передач и главная передача объединились в одну коробку передач . Карданного вала больше нет, и поэтому слово «повышающая передача» больше не может применяться. Однако фундаментальный смысл, заключающийся в том, что общее передаточное число выше, чем передаточное число для максимальной скорости, по-прежнему применим: более высокие передачи с передаточным числом, превышающим 1: 1, описываются как «повышающие передачи». [1]
Мощность, необходимую для движения автомобиля при любых условиях и скорости, легко рассчитать, основываясь, прежде всего, на общем весе и скорости автомобиля. Они создают две основные силы, замедляющие автомобиль: сопротивление качению и сопротивление воздуха . Первое примерно зависит от скорости транспортного средства, а второе зависит от квадрата скорости. Вычислить их на основе первых принципов, как правило, сложно из-за множества реальных факторов, поэтому их часто измеряют непосредственно в аэродинамических трубах и подобных системах.
Мощность, вырабатываемая двигателем, увеличивается с увеличением оборотов двигателя до максимума, а затем падает. Это известно как точка максимальной мощности . Имея кривую, описывающую общее сопротивление транспортного средства, легко найти скорость, при которой общие силы сопротивления равны максимальной мощности двигателя. Это определяет максимальную скорость, которую может достичь транспортное средство. Скорость вращения колес для данной скорости движения легко рассчитать: она равна окружности шины, умноженной на число оборотов в минуту. [a] Поскольку частота вращения шины на максимальной скорости не совпадает с частотой вращения двигателя при этой мощности, используется трансмиссия с передаточным числом для преобразования одного числа в другое. [б]
Даже при немного более низких скоростях, чем максимальная, общее сопротивление автомобиля значительно меньше, и двигателю необходимо развивать значительно уменьшенное количество мощности. В этом случае обороты двигателя изменились существенно, в то время как обороты колес изменились очень незначительно. Очевидно, что это условие требует другого передаточного числа. Если он отсутствует, двигатель вынужден работать на более высоких оборотах, чем оптимальные. Поскольку двигателю требуется больше мощности для преодоления внутреннего трения на более высоких оборотах, это означает, что больше топлива используется просто для поддержания работы двигателя на этой скорости. Каждый цикл работы двигателя приводит к его износу, поэтому поддержание более высоких оборотов двигателя также отрицательно сказывается на сроке его службы. Кроме того, звук двигателя сильно зависит от частоты вращения, поэтому работа на более низких оборотах обычно тише. [1]
Если выполнить то же упражнение с трансмиссией оборотов, описанное выше, для максимальной скорости, но вместо этого установить «максимальную скорость» на скорость движения по шоссе, на выходе получится более высокое передаточное число, которое обеспечит идеальный расход топлива. В эпоху, когда автомобили не могли передвигаться очень быстро, максимальная мощность могла быть достаточно близкой к желаемой скорости, и дополнительные передачи не требовались. Но по мере появления более мощных автомобилей, особенно в 1960-е годы, это несоответствие между максимальной мощностью и желаемой скоростью значительно возросло. Это означало, что автомобили часто работали далеко от своей наиболее эффективной точки. По мере роста стремления к большей экономии топлива , особенно после нефтяного кризиса 1973 года , потребность в «крейсерском снаряжении» становилась все более острой. [1]
Очевидным решением этой проблемы было бы добавление большего количества передач в трансмиссию. Действительно, в современных автомобилях это частое явление. Однако в силу исторических особенностей это не всегда было практично.
В традиционной компоновке с задним приводом система трансмиссии обычно содержала две секции: «коробку передач» или «трансмиссию», установленную за двигателем, и «конечную передачу», установленную на заднем мосту в задней части автомобиля. Причина такого разделения обязанностей между передней и задней частью автомобиля заключалась в том, чтобы позволить приводному валу работать с меньшим крутящим моментом за счет более высоких оборотов в минуту. Поскольку мощность является произведением числа оборотов в минуту и крутящего момента , работа вала на более высоких оборотах позволяла передавать больше мощности при более низком крутящем моменте. Это уменьшило крутящий момент, который должен был выдерживать карданный вал, и, следовательно, требуемую прочность и вес.
Хотя конструктор теоретически мог свободно выбирать любое передаточное число коробки передач и главной передачи, есть еще одно соображение, которое означало, что высшая передача большинства коробок передач была 1: 1 или «прямая передача». Это выбрано из соображений эффективности, поскольку для передачи мощности не требуются никакие шестерни, что снижает потери мощности на них. Это было особенно важно на заре появления автомобилей, поскольку их прямые шестерни были плохо обработаны, шумели и неэффективны. Затем главная передача взяла этот выходной сигнал и отрегулировала его в трансмиссии с фиксированным передаточным числом, которую было гораздо проще построить. Передаточное число главной передачи 4:1 было обычным явлением, [c] это означало, что колеса вращались со скоростью, составляющей одну четверть скорости, если бы они были напрямую подключены к двигателю.
В эпоху, когда разные модели автомобилей с колесами разного размера можно было использовать, просто изменяя передаточное число главной передачи, для всех трансмиссий имело смысл использовать прямую передачу 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 маршевой передачи к главной коробке передач было возможным, в целом было проще добавить к существующей коробке передач отдельную двухступенчатую повышающую передачу. Это не только означало, что его можно было настроить для различных транспортных средств, но и имело дополнительное преимущество: его можно было предлагать как легко устанавливаемую опцию.
При использовании переднеприводной компоновки коробка передач и главная передача объединены в одну коробку передач. Между ними больше нет приводного вала, поэтому понятие «прямая передача» неприменимо. Хотя слово «повышающая передача» все еще упоминается, теперь 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 высокого передаточного числа главной передачи. [д]
Вообще говоря, повышающая передача – это высшая передача в трансмиссии. Overdrive позволяет двигателю работать на более низких оборотах при заданной скорости движения. Это позволяет автомобилю добиться большей топливной экономичности и зачастую более тихой работы на шоссе. При ее включении автоматическая коробка передач может переключиться в режим повышенной передачи после достижения определенной скорости (обычно 70+ км/ч [40–45 миль в час или более] в зависимости от нагрузки). Когда он выключен, переключение АКПП ограничивается низшими передачами. Обычно повышающую передачу следует выбирать, когда средняя скорость превышает 70 км/ч (40–45 миль в час).
Автоматическая коробка передач автоматически переключается с OD на прямую передачу при увеличении нагрузки. Когда нагрузка меньше, она переключается обратно на OD. В определенных условиях, например при движении в гору или буксировке прицепа, трансмиссия может «охотиться» между OD и следующей высшей передачей, переключаясь вперед и назад. В этом случае его выключение может помочь трансмиссии «принять решение». Также может быть полезно выключить его, если требуется торможение двигателем , например, при движении под уклон. Руководство по эксплуатации автомобиля часто содержит информацию и подходящие процедуры, касающиеся таких ситуаций, для каждого конкретного автомобиля.
Практически все транспортные средства (легковые и грузовые автомобили) сегодня имеют повышающую передачу, будь то механическая коробка передач или автомат. На рынке послепродажного обслуживания автомобилей вы также можете установить повышенную передачу на существующие ранние трансмиссии. Overdrive широко использовался в европейских автомобилях с механической коробкой передач в 60-х и 70-х годах для увеличения пробега и спортивного вождения в качестве опции с болтовым креплением, но в более поздних трансмиссиях эта передача становилась все более распространенной. повышающая передача с болтовым креплением (например, GKN или поставщики передач), в отличие от встроенной повышающей передачи, обычно имеет возможность использовать повышающую передачу на большем количестве передач, чем только на высшей передаче. В этом случае переключение передач по-прежнему возможно на всех передачах, даже при отключенной повышающей передаче. Overdrive просто добавляет эффективные диапазоны передач, таким образом третья и четвертая повышающая передача фактически становятся «третьей с половиной» и пятой передачей. На практике это дает водителю больше передаточных чисел, которые расположены ближе друг к другу, что обеспечивает большую гибкость, особенно в автомобилях с высокими характеристиками.
Повышающая передача состоит из планетарной зубчатой передачи с электрическим или гидравлическим приводом, закрепленной болтами позади трансмиссии . Он может либо соединить входной карданный вал непосредственно с выходным валом (или карданным валом ) (1:1), либо увеличить выходную скорость так, чтобы он вращался быстрее, чем входной вал (1:1 + n ). Таким образом, выходной вал может быть «перегружен» относительно входного вала. В новых трансмиссиях повышенная передача обычно достигается за счет комбинации планетарных/эпициклических передач, встроенных в трансмиссию. Например, трансмиссия ZF 8HP имеет 8 передач переднего хода, две из которых повышающие (< 1:1). В старых автомобилях он иногда приводится в действие ручкой или кнопкой, часто встроенной в ручку переключения передач, и не требует включения сцепления . Новые автомобили имеют электронную повышающую передачу, при которой компьютер автоматически подстраивается под условия потребности в энергии и нагрузки.
Подавляющее большинство повышающих передач в европейских автомобилях было изобретено и разработано Эдгаром де Норманвиллем [2] и произведено английской компанией Laycock Engineering (позже GKN Laycock) на ее площадке Little London Road в Шеффилде . Система, разработанная де Норманвиллем, была принята на вооружение и изготовлена Лэйкоком после его случайной встречи с инженером по продукции Лэйкока. Повышающие передачи De Normanville были обнаружены в автомобилях, произведенных компанией Standard-Triumph , которая была первой, за ней следовали Ford , BMC и British Leyland , Jaguar , Rootes Group и Volvo , и это лишь некоторые из них. Другая британская компания, бывший авиастроитель Fairey , построила успешный полностью механический агрегат для Land Rover , который до сих пор выпускается в Америке.
Первым серийным автомобилем, оснащенным системой Laycock, стал седан Standard Vanguard 1948 года. Первым созданным агрегатом была повышающая передача A-типа, которая устанавливалась на многие спортивные автомобили в 1950-х и в конце 1960-х годов. Несколько известных марок использовали повышающие передачи A-типа, в том числе Jaguar, Aston Martin, Ferrari, Austin-Healey, Jensen, Bristol, AC, Armstrong Siddeley и линейку спортивных автомобилей Triumph TR, от TR2 до конца 1972 модельного года. ТР6.
В 1959 году компания Laycock Engineering Company представила повышающую передачу D-типа, которая устанавливалась на различные автомобили, включая Volvo 120 и 1800 , Sunbeam Alpines и Rapiers , Triumph Spitfires , а также MGB 1962–1967 годов (с 3-синхронными трансмиссиями). ).
С 1967 года была введена повышающая передача типа LH, которая использовалась во многих моделях, включая MGB 1968–1980 годов , MGC , Ford Zephyr , ранние Reliant Scimitar , TVR и Gilberns .
Повышающая передача J-типа была представлена в конце 1960-х годов и была адаптирована для автомобилей Volvo, Triumph, Vauxhall/Opel, American Motors и Chrysler, а также фургонов Ford Transit .
Повышающая передача P-типа стала последним обновлением и производилась в версии Gear Vendors для США и версии Volvo. Версия Volvo сохранила тот же размер корпуса, что и J-тип, но с обновленной 18-элементной муфтой свободного хода и более прочными шлицами через водило сателлитов. Версия Gear Vendors для США использует выходной вал большего внешнего диаметра (1,375 дюйма) для большей производительности и более длинный задний корпус.
За 40 лет компания Laycock Engineering произвела более трех с половиной миллионов агрегатов повышающей передачи, из которых более миллиона было установлено на автомобили Volvo.
В 2008 году американская компания Gear Vendors, Inc. [3] из Эль-Кахона, Калифорния, приобрела все активы повышающей передачи GKN, чтобы продолжить производство версии для США и всех запасных частей для типов J и P по всему миру.
Система включает в себя устройство, работающее под давлением масла, прикрепленное к задней части стандартной коробки передач и работающее на выходном валу коробки передач. Благодаря системе давления масла, соленоидам и поршням повышающая передача снижала обороты на любой передаче, на которой она использовалась, на 22% (0,778). Например, система повышающей передачи, применяемая в Triumph TR5, работает на 2-й, 3-й и высшей передаче. При включении повышающей передачи обороты снизятся с 3000 на 666 об/мин, а с 3500 обороты снизятся с 777 об/мин до 2723 нетто. Преимущества этого снижения оборотов в отношении расхода топлива чаще всего заключались в снижении расхода топлива почти на 22% при движении по шоссе.
До того, как автоматические трансмиссии были обычным явлением, особенно в 1950-х годах, многие заднеприводные американские автомобили были доступны с опцией повышающей передачи. Благодаря существенным усовершенствованиям, разработанным в Манси, штат Индиана , Уильямом Б. Барнсом для производства своего подразделения Warner Gear, BorgWarner предоставила коробку, которая устанавливалась на заводе между трансмиссией и укороченным карданным валом. Поскольку функцию повышающей передачи, если она включена, можно было переключить, просто нажав на педаль акселератора, не нажимая педаль сцепления , действие было во многом похоже на полуавтоматический режим. Кроме того, соленоид с электрическим приводом отключал бы устройство с помощью переключателя под педалью акселератора, обеспечивая эквивалент кикдауна автоматической коробки передач. Ручка, соединенная с тросом Боудена , аналогичная некоторым устройствам экстренного торможения, также была предусмотрена для механической блокировки устройства. Использование повышающей передачи с основной 3-ступенчатой трансмиссией на 2-й передаче было аналогично 3-й передаче, а с основной трансмиссией на третьей общее передаточное число было дробным (т.е. «истинная повышающая передача»). Это было важно для снижения износа, шума и затруднений в управлении.
Такие дополнительные коробки повышающей передачи были доступны с 1930-х по 1970-е годы для легковых автомобилей и легких грузовиков.
Сегодня большинство бензиновых и дизельных легковых и грузовых автомобилей оснащены повышающей передачей из-за экономии топлива. [4] Повышающая передача включена как в автоматическую, так и в механическую коробку передач в качестве дополнительной передачи (или в некоторых случаях двух). [5]
При использовании повышающей передачи частота вращения двигателя автомобиля снижается, что снижает износ и, как правило, экономит топливо. С момента принятия в США в 1981 году закона о средней корпоративной экономии топлива (CAFE) практически все отечественные автомобили включают повышенную передачу для экономии топлива. Чтобы узнать правильную скорость для работы на повышенной передаче, следует обратиться к руководству по эксплуатации автомобиля. Все двигатели имеют определенный диапазон пикового КПД, и использование повышающей передачи позволяет удерживать двигатель за пределами этого диапазона в течение всего или части времени его использования, если он используется на неподходящих скоростях, тем самым сокращая экономию топлива при более низких скоростях. скорость двигателя.
Общее сокращение трансмиссии сводится к трем основным факторам: передаче трансмиссии (включая повышающую передачу), дифференциальной передаче (в оси) и размеру шин. Проблема скорости вращения возникает, когда дифференциальная передача имеет высокое передаточное число и для компенсации используется повышающая передача. Это может создать неприятные вибрации на высоких скоростях и возможное разрушение карданного вала из-за центростремительных сил или неравномерности баланса.
Приводной вал обычно представляет собой полую металлическую трубку, которая требует балансировки для снижения вибрации и не содержит внутренних распорок.
Более высокие скорости приводного вала и связанных с ним деталей могут вызвать проблемы с нагревом и износом, если сочетаются повышающая передача и высокая дифференциальная передача (или даже очень маленькие шины), и создают ненужное трение. Это особенно важно, поскольку шестерни дифференциала залиты тяжелым маслом и редко имеют какое-либо охлаждение, кроме обдува корпуса воздухом.
Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму использование повышающей передачи и обеспечить более высокое передаточное число первой передачи, что означает больше передач между первой и последней передачей, чтобы поддерживать наиболее эффективную скорость двигателя. Это одна из причин того, что современные автомобили имеют тенденцию иметь большее количество передач в трансмиссиях. Именно поэтому в транспортном средстве редко можно увидеть более одной повышающей передачи, за исключением особых обстоятельств, например, когда для движения транспортного средства требуется высокий (числовой) дифференциал, как в грузовиках или высокопроизводительных автомобилях, хотя двойные повышающие передачи распространены в других транспортных средствах. часто с небольшим количеством понижающих передач на оси, но обычно включаются только на скорости, превышающей 100 километров в час (62 мили в час).
