Miten valita oikea välityssuhde tarpeisiisi

tarina paul van valkenburgh – kuvat kuten hyvitetään

Joskus yksinkertaisin, kaikkein harmiton kysymys vaatii monimutkaisen ja vaativan selityksen. Tai sitten ei. Sanotaan esimerkiksi, että 7-vuotias kysyy: ”Isä, mistä minä olen tullut?”. Ja kestettyään pitkän, ponnistelevan selityksen linnuista ja mehiläisistä lapsi vastaa: ”Ei, tarkoitan, mistä maasta!”. Hiljattain erään kilpa-ajajan kysymys vaihteiden välityssuhteiden valinnasta johti tähän analyysiin teknisistä näkökohdista. Vastaus vaihtelee todella paljon, riippuen kunkin yksilön erityistarpeista ja resursseista, satunnaisesta autocrossin harrastajasta ammattimaiseen maantieajokilpailijaan – tai tavallisesta etuvetoisesta sedanista, jossa on vain vähän vaihteistovaihtoehtoja, V8-moottorisiin kilpa-autoihin, joissa on pikavaihtovaihteisto.

Jos ajat usein samaa rataa ja autosi on juuri sellainen kuin ostit sen, olet luultavasti havainnut, etteivät vaihteet sovi kovinkaan hyvin yhteen mutkasta ulosajojen tai suorien kanssa. Ehkä kakkosvaihde on liian alhaalla ja joudut vaihtamaan heti kolmosvaihteelle, tai ehkä tuo vaihde on liian ylhäällä ja vääntömomentti ei riitä. Tai ehkä juuri suoran lopussa joudut joko ylikierrättämään moottoria tai vaihtamaan ylöspäin vain hetken ennen jarrutusta.

Sinulla on kolme vaihtoehtoa tilanteen parantamiseksi, vaikkakin polkujasi voivat rajoittaa budjetti, käytettävissä oleva kalusto tai sanktioviranomaisen sanelemat säännöt. Voit muuttaa renkaiden halkaisijaa, mutta tällä on yleensä vähäinen vaikutus välityssuhteeseen ja suuri vaikutus käsiteltävyyteen ja ajokorkeuteen. (Älä unohda, että auton korottaminen vaikuttaa myös aerodynamiikkaan.) Toinen vaihtoehtosi on varustaa autosi pikavaihteistolla, jossa on monta välityssuhdetta käytettävissä jokaisella vaihteella.

Bonuksena tämä saattaa tehdä mahdolliseksi sen, että voit useimmilla radoilla tulla toimeen vain yhdellä tasauspyörästön välityssuhteella. Lopuksi, jos vaihteistovaihtoehtoja on vähän tai ei ollenkaan, niin toivottavasti ainakin päätepyörästöä voi vaihtaa eri radoille sopivaksi. Tämä kuitenkin muuttaa välityssuhdetta jokaisella vaihteella saman kertoimen verran, mikä luultavasti järkyttää sinua toisessa mutkassa. Kuten sanottu, tilanteen realiteetit saattavat rajoittaa sitä, mitä näistä vaihtoehdoista voit tehdä. Moni meistä voi tyytyä vaihtamaan vain viimeisen vaihteen tai ehkä valitsemaan muutaman eri vaihteiston hammaspyörän väliltä. Silti toivoa on aina.

Taloudellisuus vs. teho

Ihanteellinen tuotannon tasauspyörästön välityssuhde – ne vaihteet, jotka löytyvät auton vetäviltä pyöriltä – on kadulla mahdollisimman suuri polttoainetalouden kannalta, ja vaihteiston välityssuhde on yhä suurempi, jotta saataisiin hyvä kiihtyvyys pysähdyksestä. Siksi joissakin manuaalivaihteistoissa voi nykyään olla jopa kuusi vaihteistoa, joista ylin voi olla ylikytkin. Mutta olitpa sitten aloittelija tai ammattilainen, optimaalinen ratkaisu kilpailemiseen on aina sama:

Ensiksi, tunnista välityssuhteet, jotka luovat maksimaalisen alueen moottorin vääntökäyrän alle minimi- ja maksimikierroslukujen välillä kullakin kiihdytyssegmentillä tai suoralla; ja toiseksi, vähennä vaihteiden vaihtamisen työtaakkaa kuljettajalle. Vaihteenvaihto on yleensä suunnilleen viimeinen vaihe kilpa-auton asetuksissa, koska se riippuu kaikista mutkasta ulosajonopeuksista ja suoran huippunopeuksista, jotka riippuvat kaarreajovoiman, jarrutuksen ja aerodynamiikan lopullisesta kehityksestä. Sen lisäksi, että vaihteistolla ei ole juurikaan palauttavaa vaikutusta näihin tekijöihin, se on yksi asia, jota on suhteellisen helppo säätää viime hetkellä – kilpa-autoissa, joissa on nopeasti vaihdettavat välityssuhteet.

Kysymys optimaalisesta vaihteistosta kullekin kilparadalle on mahdollista ratkaista arvaamalla ja testaamalla – paitsi jos rata on uusi tai sitä ei voida ajaa etukäteen, kuten autocrossissa, jota käsittelemme erillisessä sivupalkissa. Mutta koska joihinkin isoihin etumoottorisiin ja takavetoisiin autoihin asennettaviin kilpa-autovaihteistoihin on saatavana monia välityssuhteita, vaihtoehtojen määrä ja rata-ajan kustannukset tekevät jonkin rationaalisen menetelmän käyttämisen tärkeäksi. Tarkastellaan ensin ammattilaislähestymistapaa ja pelkistetään se sitten käytännön tasolle.

Ammattilaislähestymistapa

Kuvio 1

Ideaalinen lähtökohtatieto olisi nauhoitus, johon olisi kirjattu nopeudet koko kullakin tietyllä radalla samankaltaisen ajoneuvon osalta. Näistä voidaan löytää kaikki pienimmät mutkanopeudet ja suurimmat suoranopeudet. Tämä on yksi arvokkaimmista perusteluista elektronisille tiedonkeruujärjestelmille – jopa yksinkertaisimmille, joissa on vain muutama kanava.

Muussa tapauksessa kuljettajan on havainnoitava kaikki nämä suoran kierroksen kierroslukupisteet, mahdollisesti puhe- tai videonauhurin avulla. Kunkin suoran kiihtyvyyden minimi- ja maksimialueet voidaan sitten piirtää pylväsdiagrammina, kuten kuvan 1 alaosassa on esitetty. Jos oletetaan, että seisontakäynnistyksiä ei tapahdu, näiden palkkien avulla voidaan laskea moottorin kierroslukujen kokonaisalue, joka on otettava huomioon. Joskus vaihtoehtoja voi olla vain kaksi, jolloin vaihtoehdot rajoittuvat lähi- tai leveäkytkentäiseen vaihteistoon.

Perusero sovelluksissa on drag racingin, jossa on seisontastartteja, ja road racingin välillä, jossa vähimmäisnopeudet ovat mahdollisesti noin 40 mph. Hyviä drag-lähtöjä varten halutaan usein pienin mahdollinen ykkösvaihteen välityssuhde ja siitä eteenpäin varovasti porrastetut portaat. Jos taas maantieajossa ei ole seisontastartteja tai varikkopysähdyksiä, voit olla vähemmän huolissasi matalasta ykkösvaihteesta ja sen sijaan säätää sen korkeammaksi ja mahdollisesti käyttökelpoiseksi radalla. Siksi välityssuhteet halutaan porrastaa hitaimmasta mutkasta suurimpaan suoranopeuteen. Kummassakin tapauksessa tehdas on todennäköisesti jo tehnyt nämä välityssuhteiden valinnat moottorin vääntökäyrän tuntemuksen perusteella. Kun välityssuhteet on kuitenkin valittava modifioidun moottorin vääntömomentille sopiviksi tai tietyn maantieajoradan mutkanopeuksien vaatimusten täyttämiseksi, on avuksi laajempi valikoima.

Tuttu BorgWarnerin T10-nelivaihteinen vaihteisto on esimerkiksi ostettu Richmond Gearin toimesta, ja se on saatavana (http://www.texracing.com/) kautta. Siinä on kahdeksan mahdollista välityssuhdeyhdistelmää. (http://www.richmondgear.com/) osti myös oikeudet Doug Nashin vanhoihin viisi- ja kuusivaihteisiin vaihteistoihin, joissa on vähintään kahdeksan välityssuhdemahdollisuutta jokaisella vaihteella lähes rajattoman määrän yhdistelmiä varten.

Ne ovat kuitenkin paljon kalliimpia ja siksi kustannuksiltaan kohtuuttomia kaikille muille kuin ammattilaiskilpailijoille. Tässä vaiheessa vakavasti otettava kilpa-ajaja voisi ottaa dynon vääntökäyrän ja muuntaa sen tietokoneen avulla työntövoimaksi takapyörille kullakin mahdollisella välityssuhteella ja piirtää sen sitten nopeutta vasten yhdessä radan nopeuden pylväsdiagrammien kanssa. Tämä näkyy kuvan 1 yläosassa. Käyrien numeromerkinnät osoittavat tasauspyörästön välityssuhteen kerrottuna vaihteiston välityssuhteella jokaisessa mahdollisessa välityssuhdevaihtoehdossa. Aloitetaan valitsemalla alin käyttökelpoinen vaihde, joka ei ylitä reilusti pyörimisnopeusrajaa (kuten 6,87 ilmeisesti tekee), sitten ajetaan se maksimikierrosnopeuteen kierroksina minuutissa (tai pisteeseen, jossa sen työntövoima leikkaa seuraavan välityssuhdekäyrän), ja sen jälkeen se siirretään alaspäin toiseen korkeampaan välityssuhteeseen. Visuaalisesti voit nähdä asian kaaviosta.

Jos sinulla on viisivaihteinen laatikko, niin haluat valita ne viisi välityssuhdetta, jotka antaisivat sinulle suurimman pinta-alan niiden käyrän alle tummennetulla alueella. Jos olisi mahdollista saada rajoittamaton määrä vaihteita tai portaaton vaihteisto, niin kierrosluku voisi pysyä huippuvääntömomentissa ja käytettävissä oleva työntövoima olisi yksi tasainen käyrä. Nämä käyrät havainnollistavat myös, miksi on niin tärkeää, että moottorin vääntömomenttikäyrä on suhteellisen tasainen mahdollisimman laajalla kierroslukualueella. Jos moottorin vääntömomentti laskee jyrkästi tai siinä on havaittavia notkahduksia, jotka johtuvat nokkien valinnasta tai imuputken tai pakokaasun virityksestä, työntövoimakäyrän notkahduksia on vaikeampi välttää suhdevalintojen avulla. Tämä prosessi osoittaa myös, kuinka yleinen käytäntö, jossa moottorit luokitellaan huippuhyötysuhteen mukaan, on suhteellisen merkityksetön.

Yksinkertaisempi menetelmä

Mutta välityssuhteiden valintaan on olemassa edullisempi ja yksinkertaisempi tapa: kokemuksen ja kokeilun avulla, kuten yksinkertaisemman menetelmän kaaviossa esitetään. Esimerkissämme tarkastellaan vain kolmea vaihteistovaihtoehtoa, ja sanomme, että radalla on vain neljä suurta suoraa. Vaikka tämä on rajoitettu harjoitus, voimme silti tutkia kompromisseja loputtomiin pääsemättä optimaaliseen ratkaisuun, minkä vuoksi ammattilaiset haluavat pikavaihteiston, jossa on monia vaihtoehtoja jokaisella vaihteella.

Heti alkuun näet, että laajavaihteinen vaihtoehto on ”ylikierroksilla” tämän radan huippunopeuteen nähden, ja sen kierrosluvut laskevat myös suuresti kakkosen ja kolmosen välillä. (Mitä kovempaa ajetaan, sitä lähempänä vaihteiden välityssuhteiden halutaan olevan, mutta se on toinen, monimutkaisempi juttu). 3,07:1:n tasauspyörästö ja tiiviin vaihteiston kanssa nostavat toista vaihdetta niin paljon, että moottori ”jumittaa” hitaimmistakin mutkista tultaessa – etkä halua vaihtaa ykkösvaihteelle. Tämä antaa meille toisen syyn alentaa 3,07:1:n tasauspyörästön välityssuhdetta. (Muista, että välityssuhteen pienentäminen tuottaa suuremman luvun.)

Ihanteellisen valinnan löytämiseksi kerro lopullinen välityssuhde punaisen rajan nopeudella neljännellä vaihteella (152 mph) ja jaa se radan huippunopeudella (140 mph). Näin saataisiin teoreettinen 3,33 – joka on riittävän lähellä lähintä saatavilla olevaa loppuvetosuhdetta 3,36:1. Kun tämä 3,36:1-loppuvaihteisto yhdistetään lähisuhdevaihteistoon, saadaan vain yksi vaihtopiste kolmella ensimmäisellä suoralla ja kaksi viimeisellä ja pisimmällä suoralla. On olemassa vieläkin yksinkertaisempi tapa määrittää oikeat välityssuhteet: Perustu vain kuljettajan palautteeseen. Sanotaan, että useimmilla suorilla tai tärkeimmillä suorilla sinulla on taipumus ylikierroksilla tai sinun on vaihdettava ylöspäin juuri ennen jarrutusta. Tällöin kannattaa ehkä asentaa hieman suurempi tasauspyörästön välityssuhde (tai pienempi luku – katso semantiikan sivupalkki).

Voisit jopa laskea, kuinka suuri muutos olisi ihanteellinen, jos tietäisit, kuinka paljon ylikierroksilla olet. Sanotaan, että kävit 500 rpm yli 6000 rpm suositellun rajan. Silloin haluaisit korkeamman tasauspyörästön välityssuhteen, joka olisi 6000 jaettuna 6500:lla kerrottuna nykyisellä välityssuhteellasi. Sillä ei ole kovinkaan paljon väliä, käytätkö korkeampaa tasauspyörästöä näin vai alempaa tasauspyörästöä ja vaihdat sitten ylöspäin aikaisemmin – paitsi jos voit käyttää ylimmän vaihteesi, joka on luultavasti suora (tai 1:1), jolloin voimansiirron tehohäviö on hieman pienempi. Vaihteiden vaihdon tarpeen minimoimiseen on pari syytä, muun muassa kuljettajan työmäärän vähentämiseksi ja vaihteen mokaamisen mahdollisuuden minimoimiseksi (ja siihen liittyvän väärän vaihteen, osien kulumisen jne.).

Vähemmän vaihteen vaihdon ansiosta vältetään myös kiihtyvyyshäviö kymmenesosasekunnin verran kiihtyvyyshäviötä, joka aiheutuu vaihteen vaihtamisen aiheuttamasta ”seisonta-ajasta” vaihteiden välillä. Mutta älä anna sen voittaa useamman vaihteen kiihtyvyysarvoa, jotta moottori pysyy vääntömomenttihuipussaan. Yksinkertainen vastaus parhaiden välityssuhteiden valintaan on löytää sellaiset välityssuhteet, jotka tekevät kuljettajan onnelliseksi, osittain minimoimalla vaihtojen määrän, mutta ennen kaikkea minimoimalla kierrosajat.

Simple Method Chart

Tässä on alhaalla ja likainen tapa valita paras välitys tietylle autolle kolmesta vaihtoehdosta: 3.07:1-loppuveto laajakytkentäisellä vaihteistolla, 3.07:1-loppuveto suppeakytkentäisellä vaihteistolla ja 3.36:1-loppuveto suppeakytkentäisellä vaihteistolla. Esimerkissämme oletetaan, että kierrosluku on 6000 kierrosta minuutissa ja että renkaat ovat halkaisijaltaan 26 tuumaa. Käytä tätä kaavaa löytääksesi mph vaihteilla: (.003) x (rpm) x (renkaiden halkaisija tuumaa)/(tasauspyörästön välityssuhde) x (vaihteiston välityssuhde). Tämä matematiikka tuottaa seuraavan yhtälön: 468/(tasauspyörästön välityssuhde) x (välityssuhde). (.003 vain muuntaa tuumat ja minuutit mph:ksi.) Piirtämällä nopeuspalkit punaisella linjalla kaikilla neljällä vaihteella eri välityssuhteillamme saadaan tämä hajonta.

Vaihteistovalinnat:

Kaikki vaihteiston hammaspyöräparit ovat aina yhteydessä toisiinsa, mutta vain ajoittain akseliensa kanssa. Henkilöautojen vaihteistot tekevät tämän kytkennän kitkapinnoilla, jotka koskettavat ensin, jotta pyörimisnopeudet saadaan tasaisemmin vastaamaan toisiaan.

Kilpailukäytössä nämä synkronisaattorit kuluvat nopeasti tai ovat alttiita välittömämmille vioille. Puhtaissa kilpa-ajovaihteistoissa vaihteet on liitetty pääakseliin vuorotellen porrastetuilla hammasrattailla, joita kutsutaan myös ”koiriksi” ja jotka on suunniteltu kytkemään tai tarttumaan seuraavaan vaihteeseen hyvin nopeasti ja lujasti, mikä on liian rankkaa jokapäiväisessä ajossa. Näiden koirien alaviistokulma ja kulmasäteet on suunniteltu huolellisesti niin, että ne tarttuvat kiinni kulumatta ja lukkiutuvat tiukasti yhteen niin kauan kuin vääntömomenttia siirretään.

Monet kuljettajat, joilla on tämäntyyppiset laatikot, joko vaihtavat vaihteita tehovaihteistolla päästämättä kaasua tai käyttävät kytkintä vain seisontakäynnistyksissä. Ja elleivät he ole erittäin hyviä siinä, koirat jauhautuvat ympäri, ja sen seurauksena joko eivät mene vaihteelle tai pysy vaihteella.

Kumpaa tahansa synkronointityyppiä auttaa paljon, jos kuljettaja oppii sovittamaan vaihteiden väliset nopeudet yhteen moduloimalla kaasupoljinta – sekunnin murto-osalla päästämällä ylöspäin vaihteen aikana tai kevyellä räpsäisyllä alaspäin vaihteen aikana. Muussa tapauksessa synkronisaattorit tai korvakkeet voivat kulua tai rikkoutua nopeasti, jolloin kuljettajan on sovitettava nopeudet vielä tarkemmin yhteen – tai ehkä jopa pidettävä vaihdevipu vaihteessa.

Vaihteistohampaiden valinnat

Matkustajavaunujen vaihteistoissa käytetään kulmahampaita tai ”spiraalimaisesti” leikattuja hammaspyörien hampaita melun vähentämiseksi, kun taas tasauspyörästön vaihteistoissa on hammaspyöriä, joiden hampaat on leikattu ns. hyppyreinä. (Tällaisia hammaspyöriä käytetään myös vetoakselin keskilinjan madaltamiseen.) Lisääntyneen lujuuden ja tehokkuuden vuoksi kilpa-autoissa käytetään kuitenkin vain suoraksi leikattuja ”hammasrattaita” (spur hammaspyöriä), joiden pinnoilla on ensisijaisesti vierintäkosketus liukukosketuksen sijaan.

Vaihteiden valinta autocrossia varten

Vaihteiden välityssuhteen valinta on paljon helpompaa, kun nopeusalueesi on paljon kapeampi ja matalampi. Autocrossin minimikulmanopeus ei luultavasti ole relevantti valintakriteeri tässä yhteydessä, koska kun alemmilla nopeuksilla on paljon ylitehoa, et voi käyttää täyttä tehoa suuressa osassa mutkaa, ja siksi vaihteisto on suhteellisen merkityksetön.

Jos sinulla on tiedonkeruujärjestelmä nopeushistorian tallentamista varten, on hyödyllistä kirjata ylös myös kaasuläpän asento. Tai jos sinulla on edes yksi datakanava, niin kirjaa vain nopeutesi ylös, kun olet laajakaasulla. Nopeussignaali voitaisiin johtaa yksinkertaisen on/off-kytkimen kautta kaasuläpän pysäytyksessä. Oletetaan, että kokonaisnopeusalueesi avoimella kaasulla on 35-60 mph – tyypillisiä arvoja keskimääräiselle autocrossille riippumatta siitä, missä se järjestetään. Silloin on mahdollista, että voit valita tasauspyörästön välityssuhteen, jolla yksi vaihteiston välityssuhde – olipa se mikä tahansa – kattaisi tämän alueen. Tämän seurauksena sinulla ei ole vaihtopistettä aivan keskellä suoraa.

Käytännön harjoitus

Aika laittaa laskutikut pois ja katsoa, miten välityssuhteet vaikuttavat kierrosaikoihin. Kohteina on pari Grand American Rolex-luokan Porsche GT3 Cup -autoa Team Sahlenilta, ja harjoituksessa verrataan kahta erilaista vaihdelaatikkoa, leveä- ja suppeavaihteista laatikkoa. Luokkahuoneemme on Watkins Glen International, ja tiimin kuljettaja Wayne Nonnamaker on tämän päivän professori.”

”Käännös 5, joka on kuvaajan keskellä, edustaa Watkins Glenin saappaan nauhoilta poistumista ja menoa kohti saappaan varpaita”, kuljettajamme toteaa. Pi Researchin tiedonkeruun tulosteen kaksi ylintä viivaa edustavat kahden auton kierroslukuja. ”Musta viiva on sen auton kuvaaja, jossa on tiukemmat vaihteet, ja punainen viiva on sen auton kuvaaja, jossa on pidemmät vaihteet”, hän selittää. ”Näet, että tiukemman vaihteiston on tehtävä kaksi vaihdetta suoralla, kun taas pidemmällä vaihteistolla on vain yksi vaihto.” Kaksi keskimmäistä viivaa kuvaavat kahden auton nopeutta mph:na, musta tarkoittaa tiukempaa laatikkoa ja vaaleanpunainen pidempää vaihteistoa. ”Alin viiva on kahden auton välinen ero”, Wayne toteaa. ”Suoralla näkee, että pari sekunnin kymmenystä tulee lisää, kun voimaa otetaan käyttöön. Voit myös nähdä, että pidempi vaihdelaatikko ottaa dramaattisesti kiinni, kun toista vaihdelaatikkoa vaihdetaan, mutta voitto ei riitä kompensoimaan tehoalueen ulkopuolelle jäämisestä aiheutuvaa menetystä.” Tällä radalla ja tässä käyttökohteessa läheisen välityssuhteen laatikko tuottaa nopeammat kierrokset, vaikka vaihtamista tarvitaankin hieman enemmän.

”Pitää myös muistaa, että Porsche GT3 Cup on hieman piikikäs moottori”, Wayne lisää. ”Tämä tarkoittaa, että sen pitäminen tehokaistalla on olennaista. Jos sinulla on laajempi tehokaista, tämä ei ole niin olennaista. Kun siis mietit, kuinka lähellä vaihteita haluat käyttää, tehokaistan leveys on erittäin tärkeää.” Vaihteiden välityssuhteet ovat osa tarinaa, mutta on myös otettava huomioon, miten paljon nämä yksiköt kestävät. ”Rolex-autoissamme vaihteistoa voi vaihtaa niin nopeasti kuin se fyysisesti on mahdollista”, Wayne kertoo Porsche GT3 Cup -autoista. Vaikka heidän Grand-Am Cupin Porsche 996 -autonsa ovat ulkoisesti samanlaisia, ne vaativat hieman herkempää kättä. ”Grand-Am Cup -autoissa on odotettava hetki, muuten vaihteisto hioutuu ja laatikko repeää.” Wayne sanoo, että tietyn auton tarkastelu on tärkeää, kun keskustellaan vaihteiden välityssuhteista. ”Jos sinulla on siis Ford Mustang, jossa on laaja tehokaista ja vaihteisto, jonka vaihtaminen kestää hetken; ei luultavasti kannata kiristää niitä välityksiä”, hän lisää. Näytä kommentit GRM:n foorumeilla

Sinun täytyy kirjautua sisään kirjoittaaksesi. Kirjaudu sisään