Повышающая передача — это режим движения автомобиля на постоянной скорости с пониженными оборотами двигателя (об/мин), что приводит к лучшему расходу топлива, снижению шума и износа. [1] Термин неоднозначен. [1] Наиболее фундаментальное значение — это общее передаточное отношение между двигателем и колесами, при котором автомобиль перегружен и не может достичь своей потенциальной максимальной скорости, т. е. автомобиль мог бы двигаться быстрее, если бы он был на более низкой передаче, а двигатель вращался на более высоких оборотах. [1]
Мощность , вырабатываемая двигателем, увеличивается с оборотами двигателя до максимума, а затем падает. Точка максимальной мощности несколько ниже, чем абсолютная максимальная скорость двигателя, которой она ограничена, « красная линия ». Скорость автомобиля ограничена мощностью, необходимой для его движения против сопротивления воздуха, которая увеличивается со скоростью. На максимально возможной скорости двигатель работает в точке максимальной мощности, или пике мощности , и автомобиль движется со скоростью, при которой сопротивление воздуха равно этой максимальной мощности. Поэтому существует одно определенное передаточное отношение, при котором автомобиль может достичь своей максимальной скорости: то, которое соответствует этой скорости двигателя с этой скоростью движения. [1] При скоростях движения ниже этого максимума существует диапазон передаточных отношений, которые могут соответствовать мощности двигателя сопротивлению воздуха, и наиболее экономичным является то, которое приводит к самой низкой скорости двигателя. Поэтому автомобилю нужна одна передача, чтобы достичь максимальной скорости, и другая, чтобы достичь максимальной топливной эффективности на более низкой скорости.
С ранним развитием автомобилей и почти универсальной компоновкой заднего привода , передаточное отношение главной передачи (т. е. задней оси ) для быстрых автомобилей было выбрано таким образом, чтобы дать передаточное отношение для максимальной скорости. Коробка передач была спроектирована таким образом, чтобы для эффективности самым быстрым передаточным отношением было «прямое» или «прямое» передаточное отношение 1:1, избегая потерь на трение в передачах. Таким образом, для достижения передаточного отношения повышенной передачи для крейсерской скорости требовалось передаточное отношение коробки передач даже выше этого, т. е. выходной вал коробки передач вращался быстрее двигателя. Таким образом, карданный вал, связывающий коробку передач и заднюю ось, перегружен, и трансмиссия, способная это делать, стала называться «повышающей передачей». [1]
Устройством для достижения повышающей передачи обычно служила небольшая отдельная коробка передач, прикрепленная к задней части основной коробки передач и управляемая собственным рычагом переключения передач. [1] Они часто были опциональными 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. Они имели прямую (1:1) четвертую передачу с повышающей пятой передачей, заменяя необходимость в отдельной повышающей коробке передач. [1]
С ростом популярности автомобилей с передним приводом , отдельные коробка передач и главная передача были объединены в одну трансмиссию . Больше нет карданного вала, поэтому одно из значений «повышающей передачи» больше не может быть применено. Однако фундаментальное значение, а именно общее передаточное отношение, превышающее передаточное отношение для максимальной скорости, по-прежнему применимо: более высокие передачи, с передаточными отношениями больше 1:1, описываются как «повышающие передачи». [1]
Мощность, необходимую для движения автомобиля при любом заданном наборе условий и скорости, легко вычислить, основываясь в первую очередь на общем весе и скорости автомобиля. Они создают две основные силы, замедляющие автомобиль: сопротивление качению и сопротивление воздуха . Первая примерно зависит от скорости автомобиля, а вторая — от квадрата скорости. Вычислить их из первых принципов, как правило, сложно из-за множества реальных факторов, поэтому это часто измеряется непосредственно в аэродинамических трубах и подобных системах.
Мощность, вырабатываемая двигателем, увеличивается с оборотами 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 развить транспортное средство. Скорость вращения колес для данной скорости движения вперед легко вычислить, представив собой окружность шины, умноженную на обороты. [a] Поскольку обороты шины на максимальной скорости не совпадают с оборотами двигателя при этой мощности, используется трансмиссия с передаточным отношением для преобразования одного в другое. [b]
Даже при скорости, немного меньшей максимальной, общее сопротивление транспортного средства значительно меньше, и двигатель должен выдавать это значительно уменьшенное количество мощности. В этом случае обороты двигателя значительно изменились, в то время как обороты колес изменились очень мало. Очевидно, что это условие требует другого передаточного числа. Если оно не предусмотрено, 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 двигателя приводит к износу, поэтому поддержание двигателя на более высоких оборотах также неблагоприятно для срока службы двигателя. Кроме того, звук двигателя тесно связан с оборотами, поэтому работа на более низких оборотах, как правило, тише. [1]
Если запустить то же упражнение с трансмиссией RPM, описанное выше, для максимальной скорости, но вместо этого установить «максимальную скорость» на уровне крейсерской скорости по шоссе, на выходе получится более высокое передаточное отношение, которое обеспечивает идеальный расход топлива. В эпоху, когда автомобили не могли ездить очень быстро, максимальная точка мощности могла быть достаточно близка к желаемой скорости, так что дополнительные передачи не требовались. Но с появлением более мощных автомобилей, особенно в 1960-х годах, это несоответствие между максимальной точкой мощности и желаемой скоростью значительно возросло. Это означало, что автомобили часто работали далеко от своей наиболее эффективной точки. По мере того, как росло желание лучшей экономии топлива , особенно после нефтяного кризиса 1973 года , потребность в «крейсерской передаче» становилась все более насущной. [1]
Очевидным решением этой проблемы было бы добавление большего количества передач в трансмиссию. Действительно, в современных автомобилях это распространено. Однако из-за исторических особенностей это не всегда было практично.
В обычной компоновке с задним приводом система трансмиссии обычно состояла из двух секций: «коробки передач» или «трансмиссии», установленной за двигателем, и «главной передачи», установленной на задней оси в задней части автомобиля. Причиной такого разделения обязанностей между передней и задней частью автомобиля было обеспечение возможности приводному валу работать при более низком крутящем моменте за счет использования более высоких оборотов в минуту. Поскольку мощность является произведением оборотов в минуту и крутящего момента , работа вала на более высоких оборотах в минуту позволяла передавать больше мощности при более низком крутящем моменте. Это уменьшало крутящий момент, который должен был переносить приводной вал, и, следовательно, требуемую прочность и вес.
Хотя конструктор теоретически был свободен выбирать любое передаточное отношение для коробки передач и главной передачи, есть одно дополнительное соображение, которое означало, что верхняя передача большинства коробок передач была 1:1 или «прямой привод». Это выбрано для эффективности, так как не требуется никаких шестерен для передачи мощности, и, таким образом, снижается мощность, теряемая ими. Это было особенно важно в первые дни автомобилей, так как их прямозубые шестерни были плохо обработаны, шумны и неэффективны. Затем главная передача брала этот выход и регулировала его в трансмиссии с фиксированным передаточным отношением, которую было намного проще построить. Передаточные отношения главной передачи 4:1 были обычным явлением, [c] что означало, что колеса будут вращаться со скоростью, в четыре раза меньшей, чем при прямом соединении с двигателем.
В эпоху, когда различные модели автомобилей с разными размерами колес можно было приспособить, просто изменив передаточное отношение главной передачи, для всех трансмиссий имело смысл использовать прямую передачу в качестве высшей передачи. Однако, как отмечалось ранее, это привело бы к тому, что двигатель работал бы на слишком высоких оборотах для эффективного движения. Хотя добавление крейсерской передачи к основной коробке передач было возможно, обычно было проще добавить отдельную двухступенчатую систему повышающей передачи к существующей коробке передач. Это означало не только то, что ее можно было настраивать для разных транспортных средств, но и имело дополнительное преимущество, заключающееся в том, что ее можно было предлагать как легко устанавливаемую опцию.
При использовании переднеприводных схем коробка передач и главная передача объединены в одну трансмиссию. Между ними больше нет приводного вала, поэтому понятие «прямой привод» неприменимо. Хотя «повышающая передача» все еще упоминается, теперь это в основном маркетинговый термин для обозначения любого сверхвысокого передаточного числа для эффективного движения, независимо от того, достигается ли оно за счет передаточных чисел коробки передач или необычно высокой главной передачи. [d]
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 лучшей топливной экономичности и часто более тихой работы на шоссе. Когда она включена, автоматическая коробка передач может перейти в режим повышающей передачи после достижения определенной скорости (обычно 70+ км/ч [40-45 миль/ч или более] в зависимости от нагрузки). Когда она выключена, переключение автоматической коробки передач ограничено более низкими передачами. Повышающую передачу обычно следует выбирать, когда средняя скорость превышает 70 км/ч (40-45 миль/ч).
Автоматическая коробка передач автоматически переключается с OD на прямую передачу при наличии большей нагрузки. При наличии меньшей нагрузки она переключается обратно на OD. При определенных условиях, например, при движении в гору или при буксировке прицепа, трансмиссия может «охотиться» между OD и следующей высшей передачей, переключаясь вперед и назад. В этом случае ее выключение может помочь трансмиссии «решить». Также может быть выгодно отключить ее, если желательно торможение двигателем , 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 транспортные средства (легковые и грузовые) сегодня имеют повышающую передачу, как механическую, так и автоматическую. На автомобильном вторичном рынке вы также можете модернизировать повышающую передачу на существующие ранние трансмиссии. Повышающая передача широко использовалась в европейских автомобилях с механической коробкой передач в 60-х и 70-х годах для улучшения пробега и спортивного вождения в качестве опции, но все чаще для более поздних трансмиссий становилось встроенной эту передачу. Если транспортное средство оснащено повышающей передачей, устанавливаемой на болт (например, GKN или Gear Vendors), в отличие от встроенной повышающей передачи, она, как правило, будет иметь 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. Повышающая передача просто добавляет эффективные диапазоны к передачам, таким образом, повышающая третья и четвертая передачи становятся фактически «третьей с половиной» и пятой передачей. На практике это дает водителю больше передаточных чисел, которые находятся ближе друг к другу, обеспечивая большую гибкость, особенно в автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками.
Повышающая передача состоит из электрически или гидравлически управляемой планетарной передачи, прикрученной сзади трансмиссии . Она может либо напрямую соединять входной карданный вал с выходным валом (или карданным валом ) (1:1), либо увеличивать выходную скорость так, чтобы она вращалась быстрее входного вала (1:1 + n ). Таким образом, выходной вал может быть «перегружен» относительно входного вала. В более новых трансмиссиях скорость(и) повышающей передачи обычно является результатом комбинаций планетарных/эпициклических передач, которые интегрированы в трансмиссию. Например, трансмиссия ZF 8HP имеет 8 передних передач, две из которых являются повышающими (<1:1) передаточными отношениями. В старых автомобилях она иногда приводится в действие ручкой или кнопкой, часто встроенной в ручку переключения передач, и не требует работы сцепления . В более новых автомобилях есть электронная повышающая передача, в которой компьютер автоматически подстраивается под условия потребности в мощности и нагрузки.
Подавляющее большинство повышающих передач в европейских автомобилях были изобретены и разработаны Эдгаром де Норманвилем [ 2] и произведены английской компанией Laycock Engineering (позже GKN Laycock) на ее площадке Little London Road в Шеффилде . Система, разработанная де Норманвилем, была принята и произведена Лейкоком после его случайной встречи с инженером по продукции Лейкока. Повышающие передачи Де Норманвиля были обнаружены в автомобилях, произведенных Standard-Triumph , которая была первой, за ней последовали 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 производится в Америке.
Первым серийным автомобилем с системой Laycock стал Standard Vanguard Saloon 1948 года. Первым созданным агрегатом была повышающая передача типа A, которая устанавливалась на многие спортивные автомобили в 1950-х и в конце 1960-х годов. Несколько известных марок использовали повышающие передачи типа A, включая Jaguar, Aston Martin, Ferrari, Austin-Healey, Jensen, Bristol, AC, Armstrong Siddeley и спортивный автомобиль TR от Triumph, начиная с TR2 и до конца 1972 модельного года TR6.
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-синхронизированными трансмиссиями).
С 1967 года была представлена повышающая передача типа LH, которая устанавливалась на различные модели, включая MGB 1968–1980 годов , MGC , Ford Zephyr , ранние Reliant Scimitar , TVR и Gilbern .
Повышающая передача J-типа была представлена в конце 1960-х годов и адаптирована для автомобилей Volvo, Triumph, Vauxhall/Opel, American Motors и Chrysler, а также фургонов Ford Transit .
P-type overdrive ознаменовал последние обновления и был произведен в версии Gear Vendors US и версии Volvo. Версия Volvo сохранила тот же размер корпуса, что и J-type, но с обновленной 18-элементной муфтой свободного хода и более прочными шлицами через водило планетарной передачи. Версия Gear Vendors US использует больший выходной вал с внешним диаметром 1,375 для большей мощности и более длинный задний корпус.
За 40 лет компания Laycock Engineering изготовила более трех с половиной миллионов повышающих передач, и более миллиона из них были установлены на автомобилях Volvo.
В 2008 году американская компания Gear Vendors, Inc. [3] из Эль-Кахона, Калифорния, выкупила все активы GKN по производству овердрайвов, чтобы продолжить производство американской версии и всех запасных частей 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 будет понижать обороты на любых передачах, на которых она использовалась, на 22% (.778). Например, система повышающей передачи, применяемая в Triumph TR5, работает на 2-й, 3-й и высшей передаче. При включении повышающая передача будет понижать обороты с 3000 на 666 об/мин, или с 3500 падение составит 777 об/мин до 2723 чистых. Преимущества, которые это снижение оборотов имело для расхода топлива, чаще всего заключались в снижении почти на 22% во время движения по шоссе.
В дни, когда автоматические коробки передач еще не были распространены, особенно в 1950-х годах, многие американские автомобили с задним приводом были доступны с опцией повышающей передачи. С существенными усовершенствованиями, разработанными в Манси, штат Индиана , Уильямом Б. Барнсом для производства его Warner Gear Division, BorgWarner предоставил коробку, которая была установлена на заводе между трансмиссией и укороченным карданным валом. Поскольку функция повышающей передачи, если она была включена, могла быть переключена простым ослаблением нажатия на акселератор без нажатия на педаль сцепления , действие было очень похоже на полуавтоматическое. Кроме того, электрический соленоид отключал блок с помощью переключателя под педалью акселератора, обеспечивая эквивалент кикдауна автоматической коробки передач. Ручка, соединенная с тросом Боудена , похожая на некоторые приложения аварийного тормоза, также была предусмотрена для механической блокировки блока. Использование повышающей передачи с основной 3-ступенчатой трансмиссией на 2-й передаче было похоже по соотношению на 3-ю передачу, а с основной трансмиссией на третьей передаче общее передаточное отношение было дробным (т.е. «истинная повышающая передача»). Это было важно для снижения износа, разрывов, шума и трудностей в управлении.
Подобные дополнительные коробки передач с повышающей передачей выпускались с 1930-х по 1970-е годы для легковых автомобилей и легких грузовиков.
Сегодня большинство бензиновых и дизельных автомобилей и грузовиков оснащены повышающей передачей из-за ее преимущества в экономии топлива. [4] Повышающая передача включена как в автоматические, так и в механические коробки передач в качестве дополнительной передачи (или двух в некоторых случаях). [5]
При использовании повышающей передачи скорость двигателя автомобиля падает, что снижает износ и обычно экономит топливо. С момента принятия в 1981 году в США закона о средней корпоративной экономии топлива (CAFE) практически все отечественные автомобили включают повышающую передачу для экономии топлива. Следует обратиться к руководству по эксплуатации автомобиля, чтобы узнать правильную скорость для работы на повышающей передаче. Все двигатели имеют диапазон пиковой эффективности, и использование повышающей передачи может удерживать двигатель вне этого диапазона в течение всего времени его использования или части времени его использования, если он используется на неподходящих скоростях, тем самым сокращая любую экономию топлива от более низкой скорости двигателя.
Общее снижение трансмиссии сводится к трем основным факторам: передаточная передача (включая повышающую передачу), дифференциальная передача (в оси) и размер шин. Проблема скорости вращения возникает, когда дифференциальная передача имеет высокое передаточное отношение, а для компенсации используется повышающая передача. Это может привести к неприятным вибрациям на высоких скоростях и возможному разрушению карданного вала из-за центростремительных сил или неравномерного баланса.
Приводной вал обычно представляет собой полую металлическую трубку, требующую балансировки для снижения вибрации и не имеющую внутренних распорок.
Более высокие скорости на приводном валу и связанных с ним деталях 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 дифференциальные передачи залиты тяжелым маслом и редко охлаждаются каким-либо образом, кроме обдува корпуса воздухом.
Целью является минимизация использования повышающей передачи и обеспечение более высокого передаточного числа первой передачи, что означает больше передач между первой и последней, чтобы поддерживать двигатель на максимально эффективной скорости. Это одна из причин, по которой современные автомобили, как правило, имеют большее количество передач в своих трансмиссиях. Это также причина, по которой в транспортном средстве редко можно увидеть более одной повышающей передачи, за исключением особых обстоятельств, например, когда для движения транспортного средства требуется высокая (числовая) дифференциальная передача, 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).
