historie af paul van valkenburgh – fotos som krediteret
Sommetider kræver det enkleste, mest uskadelige spørgsmål en kompleks og krævende forklaring. Eller ikke. Lad os for eksempel sige, at en 7-årig spørger: “Far, hvor kommer jeg fra?” Og efter at have udstået en lang, anstrengt forklaring om fuglene og bierne, svarer barnet: “Nej, jeg mener hvilket land!” For nylig førte et spørgsmål fra en racerkører om valg af gearforhold til denne analyse af de tekniske overvejelser. Svaret varierer virkelig meget, afhængigt af hver enkelt persons specifikke behov og ressourcer, lige fra den afslappede amatørautocrosser til professionelle landevejsracere – eller fra almindelige frontdrevne sedler med få gearmuligheder til V8-drevne racerbiler med hurtigskiftgearkasser.
Hvis du kører meget på den samme bane, og din bil er præcis som du købte den, har du sikkert fundet ud af, at gearene ikke passer særlig godt til svingudkørslerne eller de lige strækninger. Måske er andet gear for lavt, og du er nødt til at skifte med det samme til tredje gear, eller måske er dette gear for højt, og du har ikke nok drejningsmoment. Eller måske er du lige i slutningen af den lige vej enten nødt til at overdreve motoren eller opskifte et øjeblik før du bremser.
Du har tre muligheder for at forbedre situationen, selv om dine veje kan være begrænset af budgettet, det tilgængelige udstyr eller de regler, der er dikteret af det sanktionerende organ. Du kan ændre dækdiameteren, men det har normalt en mindre effekt på gearforholdet og en større effekt på håndtering og kørehøjde. (Glem ikke, at en forhøjelse af bilen også påvirker aerodynamikken.) Din anden mulighed er at udstyre din bil med en hurtigskiftet gearkasse, hvor der er mange udvekslingsforhold til rådighed i alle gear.
Som en bonus kan dette gøre det muligt for dig at klare dig med kun ét differentialeforhold på de fleste baner. Endelig, hvis der kun er få eller ingen muligheder for gearkassen, så kan man forhåbentlig i det mindste ændre slutdrevet, så det passer til forskellige baner. Det vil dog ændre forholdet i alle gear med det samme multiplum, hvilket sandsynligvis vil forstyrre dig i et andet sving. Som vi sagde, kan situationens realiteter begrænse, hvilke af disse valg du kan træffe. Mange af os er måske begrænset til kun at ændre det sidste gear eller måske valget mellem et par forskellige gearstænger. Alligevel er der altid håb.
Økonomi vs. effekt
Det ideelle produktionsdifferentialeforhold – de gear, der findes ved bilens drivhjul – til gaden er så højt som muligt af hensyn til brændstoføkonomien, med et stigende antal gearudvekslinger for at få en god acceleration fra et dødt stop. Det er derfor, at nogle manuelle gearkasser nu kan leveres med op til seks gear, hvor det øverste forhold muligvis er et overgear. Men uanset om du er nybegynder eller professionel, vil den optimale løsning til konkurrence altid være den samme:
Først skal du identificere de udvekslingsforhold, der skaber det maksimale areal under din motors drejningsmomentkurve mellem mindste og højeste omdrejningstal i hvert accelerationssegment eller på hver enkelt lige strækning, og for det andet skal du reducere førernes arbejdsbyrde ved gearskiftet. Gearing er normalt omkring det sidste trin i racerbilens opsætning, da det afhænger af alle hastighederne ved hjørneudgang og tophastighederne på lige vej, som afhænger af den endelige udvikling af kurvekraften, bremsning og aerodynamik. Ikke alene har gearing en lille tilbagevirkende indflydelse på disse faktorer, men det er også en ting, der er relativt let at justere i sidste øjeblik – i racerbiler, der har hurtigskifteskift.
Det er muligt at løse spørgsmålet om den optimale gearing for hver enkelt racerbane ved at gætte og teste – medmindre banen er ny eller ikke kan køres på forhånd, som ved autocross, hvilket vi vil se på i en særskilt sidebar. Men med de mange udvekslingsforhold, der er tilgængelige i nogle af de racertransmissioner, der kan monteres på de store biler med frontmotor og baghjulstræk, gør antallet af valgmuligheder og omkostningerne til banetid det vigtigt at anvende en rationel metode. Lad os først se på den professionelle fremgangsmåde og derefter reducere den til et praktisk niveau.
Professionel fremgangsmåde
Figur 1
Den ideelle startinformation ville være en registrering af hastighederne hele vejen rundt om hver specifik bane for et lignende køretøj. Ud fra disse kan man finde alle de mindste hastigheder i hjørner og de maksimale hastigheder på lige strækninger. Dette er en af de mest værdifulde begrundelser for elektroniske dataindsamlingssystemer – selv de enkleste systemer med kun få kanaler.
I modsat fald skal føreren observere alle disse ligeudgående omdrejningspunkter, eventuelt ved hjælp af stemme- eller videooptager. De mindste og største accelerationsintervaller for hver lige strækning kan derefter plottes som et søjlediagram, som vist nederst i figur 1. Hvis man antager, at der ikke er nogen stående starter, kan man ved hjælp af disse søjler beregne det samlede omdrejningsområde, der skal tages hensyn til. Nogle gange er der måske kun to muligheder, og valget er begrænset til en gearkasse med tæt eller bred udveksling.
Den grundlæggende forskel i anvendelserne er mellem dragracing, hvor der er stående starter, og road racing, hvor minimumshastighederne muligvis ligger omkring 40 mph. For at opnå gode dragstarter ønsker man ofte det lavest mulige første gearudveksling og omhyggeligt adskilte trin derfra. Men til road racing, hvor der ikke er stående starter eller pitstop, kan man være mindre bekymret for et lavt første gear og i stedet gøre det højere og eventuelt anvendeligt på banen. Derfor skal du have et trinvist gearskifte fra det langsomste sving til den maksimale hastighed på den lige vej. I begge tilfælde vil fabrikken sandsynligvis allerede have foretaget disse gearvalg på grundlag af deres viden om motorens drejningsmomentkurve. Men når der skal vælges udvekslingsforhold for at passe til drejningsmomentet i en modificeret motor eller for at opfylde kravene til svinghastighederne på en bestemt racerbane, hjælper det at have et bredere udvalg.
Der er f.eks. den velkendte firetrins gearkasse BorgWarner T10, som blev opkøbt af Richmond Gear og kan fås gennem (http://www.texracing.com/). Den har otte mulige kombinationer af gearudvekslinger. (http://www.richmondgear.com/) har også købt rettighederne til de gamle Doug Nash-transmissioner med fem og seks gear, som har mindst otte udvekslingsmuligheder i hvert gear for et næsten ubegrænset antal kombinationer.
Men de er meget dyrere og derfor omkostningsmæssigt uoverkommelige for alle andre end professionelle racerkørere. På dette punkt kan den seriøse racerkører måske tage sin dynokurve for drejningsmomentet og bruge en computer til at omregne den til fremdrift ved baghjulene i hvert muligt gearudvekslingsforhold og derefter plotte den mod hastigheden sammen med søjlediagrammerne for banens hastighed. Dette kan ses i toppen af figur 1. De numeriske betegnelser på disse kurver viser differentialeforholdet multipliceret med gearkasseforholdet i hvert muligt gearvalg. Man starter med at vælge det laveste brugbare gear, der ikke går langt over hjulspingrænsen (som 6,87 tydeligvis gør), derefter køres det op til dets maksimale hastighed i omdrejninger pr. minut (eller det punkt, hvor dets skub skærer den næste gearkurve), og derefter skiftes det ned til et andet højere gear. Visuelt kan du se problemet på diagrammet.
Hvis du har en boks med fem gear, skal du vælge de fem forhold, der vil give dig det maksimale areal under deres kurver i det skraverede område. Hvis det var muligt at have et ubegrænset antal gear eller en kontinuerlig variabel gearkasse, kunne omdrejningstallet forblive på det maksimale drejningsmoment, og den tilgængelige fremdrift ville være én jævn kurve. Disse kurver illustrerer også, hvorfor det er så vigtigt at have en relativt flad drejningsmomentkurve for motoren over et så bredt omdrejningsområde som muligt. Hvis motorens drejningsmoment falder brat eller har mærkbare dyk som følge af cam-valg eller indstillingsvirkninger ved indstillingen af indsugningsrammen eller udstødningen, vil det være vanskeligere at undgå dråber i stødkraftskurven ved hjælp af gearvalg. Denne proces viser også, hvordan den almindelige praksis med at klassificere motorer efter maksimale hestekræfter er relativt ligegyldig.
En enklere metode
Men der findes en billigere og enklere måde at vælge udvekslingsforhold på: ved hjælp af erfaring og eksperimenter, som vist i vores skema med enklere metode. I vores eksempel overvejer vi kun tre gearingsmuligheder, og vi antager, at banen kun har fire store lige strækninger. Selv om dette er en begrænset øvelse, kan vi stadig studere kompromiserne i al evighed uden at nå frem til den optimale løsning, hvilket er grunden til, at professionelle ønsker en hurtigskiftet trans med mange muligheder i hvert gear.
Der kan man straks se, at den brede gearingsmulighed er “overgearet” til denne banes topfart og også har et stort omdrejningsfald mellem andet og tredje gear. (Jo hurtigere du kører, jo tættere skal dine gearskifteforhold være, men det er en anden, mere kompleks historie). Differentialet på 3,07:1 med den snævre gearkasse hæver andet gear så meget, at motoren vil “gå i stå”, når den kommer ud af de langsomste sving – og du ønsker ikke at nedskifte til første gear. Dette giver os endnu en grund til at sænke differentialeforholdet på 3,07:1. (Husk, at en sænkning af forholdet giver et højere tal.)
For at finde det ideelle valg skal du gange det endelige udvekslingsforhold med redline-hastigheden i fjerde gear (152 mph) og dividere det med den højeste hastighed på banen (140 mph). Dette ville give en teoretisk 3,33 – hvilket er tæt nok på det nærmeste tilgængelige slutgearudvekslingsforhold på 3,36:1. Ved at kombinere dette 3,36:1 slutgear med den tætte gearkasse vil det kun give ét skiftepunkt på de tre første lige strækninger og to på den sidste og længste strækning. Der findes en endnu enklere måde at bestemme de korrekte gearudvekslinger på: Du skal blot basere din beslutning udelukkende på chaufførens feedback. Lad os sige, at du på de fleste lige strækninger eller på de vigtigste strækninger har en tendens til at have for højt omdrejningstal eller er nødt til at opskifte lige før en opbremsning. I så fald vil du måske installere et lidt højere differentialeudvekslingsforhold (eller et lavere tal – se den semantiske sidebar).
Du kan endda beregne, hvor meget en ændring der ville være ideel, hvis du ved, hvor meget du overdrev. Lad os sige, at du kørte 500 omdrejninger pr. minut over en anbefalet grænse på 6000 omdrejninger pr. minut. Så ville du ønske et højere differentialeforhold, der var 6000 divideret med 6500, ganget med dit eksisterende forhold. Det er ikke særlig vigtigt, om du går til et højere differentiale på denne måde eller til et lavere differentiale og derefter opskifter tidligere – medmindre du kan bruge dit højeste gear, som sandsynligvis vil være direkte (eller 1:1), og vil have lidt mindre tab af drivlinjestyrke. Der er et par grunde til at minimere behovet for at skifte, bl.a. for at mindske arbejdsbyrden for føreren og minimere muligheden for at blæse et gearskifte (og det tilhørende forkerte gear, slitage på dele osv.).
Mindre skift undgår også den tiendedel af et sekund eller deromkring af accelerationstab ved “stilstand” mellem gearene. Men lad det ikke opveje accelerationsværdien af flere gear for at holde motoren i sit momentmaksimum. Det enkle svar til valg af de bedste gearudvekslinger er at finde dem, der gør føreren tilfreds, dels ved at minimere antallet af skift, men endnu vigtigere ved at minimere omgangstiderne.
Enkle metodediagram
Her er en nøgtern metode til at vælge den bedste gearing til en bestemt bil ud fra tre valgmuligheder: 3,07:1 slutdrev med en bred gearkasse, et 3,07:1 slutdrev med en gearkasse med tæt gearkasse og et 3,36:1 slutdrev med en gearkasse med tæt gearkasse. I vores eksempel antages en redline på 6000 omdrejninger pr. minut og dæk med en diameter på 26 tommer. For at finde mph i gear skal du bruge denne formel: (.003) x (omdrejninger pr. minut) x (dækdiameter i tommer)/(differentialeforhold) x (transmissionsforhold). Denne matematik giver følgende ligning: 468/(differentialeforhold) x (transmissionsforhold). (0,003 omregner blot tommer og minutter til mph.) Ved at plotte hastighedsstænger ved rødlinje i alle fire gear for vores forskellige udvekslingsforhold fås denne spredning:
Valg af gearkasse:
Alle transmissionens tandhjulspar er altid i indgreb, men er kun med mellemrum i indgreb med deres aksler. Personbilstransmissioner skaber denne forbindelse med friktionsflader, der kommer i kontakt først, for at tilpasse rotationshastighederne mere jævnt.
I racerbrug slides disse synkronisatorer hurtigt eller er tilbøjelige til at gå mere øjeblikkeligt i stykker. I rene racergearkasser er tandhjulene skiftevis forbundet med hovedakslen ved hjælp af trinformede tandhjul, også kaldet “hunde”, som er beregnet til at gribe ind i eller gribe fat i det næste gear meget hurtigt og fast, hvilket er en handling, der er for hård til daglig kørsel. Disse hakkers underskæringsvinkel og hjørneradier er omhyggeligt udformet til at gribe ind uden at blive slidt og til at låse sig fast sammen, så længe drejningsmomentet overføres.
Mange bilister, der har denne type gearkasser, skifter enten med kraftoverførsel uden at give slip på speederen eller bruger kun koblingen ved stående start. Og med mindre de er meget dygtige til det, bliver hundene rundet, og som følge heraf vil de enten ikke gå i eller blive i gear.
Enten af disse to typer synkroniseringer hjælpes meget, hvis føreren lærer at matche hastighederne mellem gearene ved at modulere gashåndtaget – ved at give et splitsekund slip under opskiftet eller et lille ryk under nedskiftet. Ellers kan synkronisatorer eller lugs hurtigt blive slidt eller knækket, hvilket kræver, at føreren tilpasser hastighederne endnu mere nøje – eller måske endda holder gearstangen i gear.
Valg af geartænder
Personbiltransmissioner anvender geartænder med vinkelskæring eller “spiralskæring” for at reducere støjen, mens differentiale gear har “hypoide” skæringstænder. (Disse typer tandhjul bruges også til at sænke drivakslens centerlinje.) For at øge styrken og effektiviteten bruger racerbiler dog kun lige skårne “spur”-gear, som primært har rullende kontakt på deres flader i stedet for glidende kontakt.
Gearing for Autocross
Valg af gearudveksling er meget nemmere, når dit hastighedsområde er meget snævrere og meget lavere. Den mindste svinghastighed for en autocrosser er sandsynligvis ikke et relevant valgkriterium her, for med masser af overskydende kraft ved lavere hastigheder kan du ikke bruge fuld kraft i en stor del af svinget, og derfor er gearing relativt ligegyldig.
Hvis du har et dataindsamlingssystem til at registrere din hastighedshistorik, er det også nyttigt at registrere gashåndtagspositionen. Eller, hvis du overhovedet har en enkelt datakanal, skal du blot registrere din hastighed, mens du er ved fuld gas. Hastighedssignalet kan f.eks. køres gennem en simpel tænd/sluk-knap på gashåndtaget. Lad os sige, at dit samlede hastighedsområde med vidt åbent gashåndtag er fra 35 til 60 mph – typiske værdier for et gennemsnitligt autocross, uanset hvor det afholdes. Så er det muligt, at du kan vælge et differentialeforhold, der placerer et enkelt gearudvekslingsforhold i transmissionen – uanset hvilket – til at dække dette område. Som et resultat heraf vil du ikke have et skiftepunkt lige midt på en lige strækning.
Praktisk øvelse
Det er tid til at lægge regnestokkene væk og se, hvordan gearforhold påvirker omgangstiderne. Vores emner vil være et par Porsche GT3 Cup-biler i Grand American Rolex-klassen fra Team Sahlen, og øvelsen vil indebære en sammenligning af to forskellige gearkasser, en gearkasse med bredt gearforhold og en gearkasse med tæt gearforhold. Vores klasseværelse er Watkins Glen International, og teamkører Wayne Nonnamaker er dagens professor.
“Kurve 5, midten af grafen, repræsenterer at komme ud af snørebåndene på Watkins Glen og køre mod tåen af støvlen,” bemærker vores kører. De to øverste linjer på Pi Researchs dataindsamlingsudskrift repræsenterer omdrejningstallet for de to biler. “Den sorte linje er grafen for bilen med de strammere gear, og den røde linje er grafen for bilen med de længere gear”, forklarer han. “Man kan se, at den strammere gearkasse skal foretage to skift på den lige strækning, mens den længere gearkasse kun skal foretage ét skift.” De to midterste linjer repræsenterer de to bilers hastighed i mph, med sort for den strammere gearkasse og lyserødt for de længere gear. “Den nederste linje er forskellen mellem de to biler,” bemærker Wayne. “Man kan se på den lige strækning, at der er en gevinst på et par tiendedele af et sekund, når først der bliver sat strøm på. Man kan også se, at den længere gearkasse indhenter den dramatisk, når den anden gearkasse skiftes, men gevinsten tilbage er ikke nok til at opveje tabet fra at være uden for effektområdet.” På denne bane og med denne anvendelse giver den tætte gearkasse de hurtigere omgange, selv om der skal skiftes lidt mere.
“Husk også på, at Porsche GT3 Cup er en motor med en vis spidsbelastning,” tilføjer Wayne. “Det betyder, at det er vigtigt at holde den i effektområdet. Hvis du har et mere bredt powerband, er det ikke så vigtigt. Så når du ser på, hvor tæt du vil have dine gear, er bredden af dit powerband meget vigtig.” Mens gearforholdene er en del af historien, skal man også tage hensyn til, hvor meget misbrug disse enheder kan tåle. “I vores Rolex-biler kan gearkassen skiftes så hurtigt, som du fysisk kan gøre det,” forklarer Wayne om deres Porsche GT3 Cup-biler. Deres Grand-Am Cup Porsche 996-maskiner, selv om de udadtil ligner hinanden, kræver en lidt mere delikat hånd. “I Grand-Am Cup-bilerne skal du vente et kort øjeblik, ellers sliber du gearkassen og ødelægger kassen.” Wayne siger, at det er vigtigt at se på den pågældende bil, når man diskuterer gearforhold. “Så hvis du har en Ford Mustang med et bredt powerband og en gearkasse, der tager et øjeblik at skifte, er det sandsynligvis ikke det værd at stramme op på disse gearforhold,” tilføjer han. “Men hvis du kører med en Integra Type R, hvor din gearkasse skifter ret hurtigt, og hvor båndet er meget spids, så vil det sandsynligvis være det værd at stramme op på gearene.”
Se kommentarer på GRM-forum
7/16/18 13:16 p.m.
God artikel!
1/4/21 9:53 a.m.
Hvordan beregnes wheelspin thrust grænsen?
1/4/21 16:32 p.m.
Du kan også se på de data du kan også se på acceleration Gs. Hvis accelerations-Gs falder skal du justere din gearing.
Du skal logge ind for at skrive. Log ind