story by paul van valkenburgh – photos as credited
Soms vraagt de simpelste, meest onschuldige vraag om een complexe en veeleisende uitleg. Of niet. Bijvoorbeeld, stel dat een 7-jarige vraagt: “Pap, waar kom ik vandaan?” En na een lange, gespannen uitleg over de vogels en de bijen, antwoordt het kind: “Nee, ik bedoel uit welk land!” Onlangs leidde een vraag van een racer over de keuze van de overbrengingsverhoudingen tot deze analyse van de technische overwegingen. Het antwoord varieert echt veel, afhankelijk van ieders specifieke behoeften en middelen, van de amateur autocrosser tot professionele wegracers-of van standaard sedans met voorwielaandrijving en weinig versnellingsmogelijkheden tot V8-aangedreven racers met snel verwisselbare transmissies.
Als je vaak op hetzelfde parcours rijdt, en je auto is precies zoals je hem hebt gekocht, heb je waarschijnlijk gemerkt dat de versnellingen niet goed overeenkomen met de uitgangen van de bochten of de rechte stukken. Misschien staat de tweede versnelling te laag en moet je meteen doorschakelen naar de derde, of misschien staat die versnelling te hoog en heb je niet genoeg koppel. Of misschien moet je juist aan het einde van het rechte stuk de motor overtoeren of juist even opschakelen voordat je remt.
Je hebt drie mogelijkheden om de situatie te verbeteren, hoewel je wegen kunnen worden beperkt door budget, beschikbare apparatuur, of de regels die door de sanctionerende instantie worden gedicteerd. U kunt de banddiameter veranderen, maar dit heeft meestal een klein effect op de overbrengingsverhouding en een groot effect op de rijeigenschappen en de rijhoogte. (Vergeet niet dat het verhogen van de auto ook invloed heeft op de aerodynamica.) Je tweede optie is om je auto uit te rusten met een snelwissel transmissie met veel overbrengingsverhoudingen beschikbaar in elke versnelling.
Als een bonus, dit zou het mogelijk kunnen maken voor u om rond te komen met slechts een differentieel ratio voor de meeste tracks. Ten slotte, als er weinig of geen opties voor de transmissie, dan hopelijk ten minste de eindaandrijving kan worden gewijzigd om verschillende tracks aan te passen. Dat zal echter de verhouding in elke versnelling met hetzelfde veelvoud veranderen, wat je waarschijnlijk in een andere bocht van slag zal brengen. Zoals we al zeiden, de realiteit van de situatie kan je beperken in welke van deze keuzes je kunt maken. Velen van ons zullen wellicht beperkt zijn tot een verandering van de eindoverbrenging of misschien de keuze tussen een paar verschillende transmissietandwielen. Toch is er altijd hoop.
Rendement versus vermogen
De ideale verhouding van het productiedifferentieel – de versnellingen bij de aandrijfwielen van de auto – voor de straat is zo hoog mogelijk voor een zuinig brandstofverbruik, met een toenemend aantal overbrengingsverhoudingen om een goede acceleratie te krijgen vanuit stilstand. Dat is de reden waarom sommige handgeschakelde versnellingsbakken nu tot zes versnellingen kunnen hebben, met mogelijk als hoogste versnelling een overdrive. Maar of je nu een beginner of een pro bent, de optimale oplossing voor competitie is altijd hetzelfde:
Ten eerste, identificeer de verhoudingen die het maximale gebied onder de koppelkromme van je motor creëren tussen minimum en maximum tpm in elk acceleratie segment of rechte stuk; en ten tweede, verminder de schakelbelasting voor de bestuurder. De versnelling is meestal de laatste fase in het afstellen van een race wagen, omdat het afhangt van de snelheid waarmee een bocht wordt verlaten en de topsnelheid op het rechte stuk, die afhangt van de uiteindelijke ontwikkeling van het vermogen in de bochten, het remmen en de aerodynamica. Niet alleen heeft de versnelling weinig invloed op deze factoren, het is een ding dat relatief gemakkelijk is aan te passen op het laatste moment-in race auto’s die snel verwisselbare verhoudingen hebben.
Het is mogelijk om de vraag naar de optimale versnelling voor elke racebaan op te lossen door gissen en testen-tenzij de baan nieuw is of niet vooraf kan worden uitgevoerd, zoals in autocrossing, die we zullen overwegen in een aparte zijbalk. Maar met de vele overbrengingsverhoudingen die beschikbaar zijn in sommige van de raceversnellingsbakken die kunnen worden gemonteerd op de grote auto’s met voormotor en achterwielaandrijving, maken het aantal keuzes en de kosten van circuittijd het belangrijk om een rationele methode te gebruiken. Laten we eerst eens kijken naar de professionele aanpak, en deze dan terugbrengen tot een praktisch niveau.
Professionele aanpak
Figuur 1
De ideale startinformatie zou een registratie zijn van snelheden rondom elk specifiek circuit voor een vergelijkbaar voertuig. Hieruit kunnen alle minimumbochtsnelheden en maximumrechte snelheden worden gevonden. Dit is een van de meest waardevolle rechtvaardigingen voor elektronische data-acquisitiesystemen, zelfs de eenvoudigste met slechts een paar kanalen.
Anders moet de bestuurder al deze rpm-punten op het rechte stuk waarnemen, eventueel met een spraak- of videorecorder. Het minimum- en maximumtoerental voor elk rechte stuk kan dan worden uitgezet in de vorm van een staafdiagram, zoals onderaan in figuur 1 is te zien. Ervan uitgaande dat er geen stilstaande starts zijn, kunt u met deze balken het totale toerentalbereik berekenen dat in aanmerking moet worden genomen. Soms zijn er slechts twee opties, waarbij de keuze beperkt is tot een close-ratio of wide-ratio transmissie.
Het fundamentele verschil in toepassingen is tussen dragracen, met zijn stilstaande starts, en wegracen, waar de minimumsnelheden mogelijk rond de 40 mph liggen. Voor goede drag lanceringen, wil je vaak de laagst mogelijke eerste versnelling verhouding en zorgvuldig gespreide stappen vanaf daar. Maar voor wegraces, als er geen stilstaande starts of pitstops zijn, kun je je minder zorgen maken over een lage eerste versnelling en deze in plaats daarvan hoger en mogelijk bruikbaar maken op het parcours. Daarom wil je de verhoudingen trapsgewijs aanpassen van de langzaamste bocht tot de maximale snelheid op het rechte stuk. In beide gevallen zal de fabriek deze versnellingen waarschijnlijk al hebben gekozen, gebaseerd op hun kennis van de motorkoppelcurve. Echter, wanneer de overbrengingsverhoudingen moeten worden gekozen om het koppel van een aangepaste motor aan te passen, of om te voldoen aan de eisen van de bochtensnelheden van een bepaald wegracecircuit, dan helpt het om een bredere selectie te hebben.
Bij wijze van voorbeeld, de bekende BorgWarner T10 vierversnellingsbak werd uitgekocht door Richmond Gear en is verkrijgbaar via (http://www.texracing.com/). Hij heeft acht mogelijke overbrengingsverhoudingen. (http://www.richmondgear.com/) heeft ook de rechten gekocht van de oude Doug Nash vijf- en zesversnellingsbakken, die minstens acht overbrengingsverhoudingen in elke versnelling hebben voor een bijna onbeperkt aantal combinaties.
Ze zijn echter een stuk duurder en daardoor onbetaalbaar voor iedereen behalve professionele racers. Op dit punt zou de serieuze racer zijn dyno-koppelkromme kunnen nemen en deze met behulp van een computer omzetten in stuwkracht op de achterwielen in elke mogelijke overbrengingsverhouding, en deze vervolgens uitzetten tegen de snelheid samen met de staafdiagrammen van de baansnelheid. Dit is te zien in de top van figuur 1. De numerieke labels op deze curven tonen de differentieelverhouding vermenigvuldigd met de transmissieverhouding in elke mogelijke versnellingskeuze. Je begint met het kiezen van de laagste bruikbare versnelling die niet ver over de wielspin-limiet gaat (zoals 6.87 duidelijk doet), dan laat je het oplopen tot zijn maximale snelheid in rpm (of het punt waarop zijn stuwkracht de volgende versnellingscurve snijdt), en dan wordt het teruggeschakeld naar een andere hogere versnelling. Visueel kun je het probleem op de grafiek zien.
Als je een vijfversnellingsbak hebt, dan wil je de vijf overbrengingsverhoudingen kiezen die je het maximale gebied onder hun krommen zouden geven in het gearceerde gebied. Als het mogelijk zou zijn om een onbeperkt aantal versnellingen te hebben, of een continu variabele transmissie, dan zou het toerental op het piekkoppel kunnen blijven en zou de beschikbare stuwkracht één vloeiende curve zijn. Deze curven illustreren ook waarom het zo belangrijk is om een relatief vlakke motorkoppelcurve te hebben over een zo breed mogelijk toerengebied. Als het motorkoppel sterk afneemt, of merkbare dips vertoont als gevolg van nokkenas selectie of inlaat ram tuning of uitlaat tuning effecten, dan zal het moeilijker zijn om dalingen in de stuwkracht curve te voorkomen door gebruik te maken van ratio selecties. Dit proces toont ook aan hoe de gemeenschappelijke praktijk van rating motoren door piek pk’s is relatief onbelangrijk.
Een eenvoudiger methode
Maar er is een goedkopere en eenvoudigere manier om ratio’s te selecteren: met behulp van ervaring en experimenteren, zoals getoond in onze Simpler Method Chart. In ons voorbeeld bekijken we slechts drie versnellingsmogelijkheden, en we gaan ervan uit dat het circuit slechts vier grote rechte stukken heeft. Hoewel dit een beperkte oefening is, kunnen we de compromissen eeuwig bestuderen zonder de optimale oplossing te bereiken, wat de reden is waarom professionals een snel verwisselbare transmissie willen met veel opties in elke versnelling.
Meteen kun je zien dat de optie met de grote overbrengingsverhouding “overgeared” is voor de topsnelheid van dit circuit en ook een groot toerentalverlies heeft tussen de tweede en derde versnelling. (Hoe sneller je gaat, hoe dichter je de overbrengingsverhoudingen bij elkaar wilt hebben, maar dat is een ander, complexer verhaal). Het 3.07:1 differentieel met de close-ratio versnellingsbak verhoogt de tweede versnelling zo veel dat de motor zal “boggen” bij het uitkomen van de langzaamste bochten-en je wilt niet terugschakelen naar de eerste. Dit geeft ons nog een reden om de 3.07:1 differentieelverhouding te verlagen. (Vergeet niet dat het verlagen van de verhouding een hoger getal oplevert.)
Om de ideale selectie te vinden, vermenigvuldig de eindaandrijvingsverhouding met de maximum snelheid in de vierde versnelling (152 mph) en deel dat door de topsnelheid op het circuit (140 mph). Dit zou een theoretische 3.33 opleveren – wat dicht genoeg bij de dichtstbijzijnde beschikbare eindaandrijvingsverhouding van 3.36:1 ligt. De combinatie van deze 3.36:1 eindoverbrenging met de close-ratio transmissie levert slechts één schakelpunt op de eerste drie rechte stukken op, en twee op de laatste en langste. Er is een nog eenvoudigere manier om de juiste overbrengingsverhoudingen te bepalen: Baseer je beslissing alleen op feedback van de bestuurder. Stel dat je op de meeste rechte stukken, of op de belangrijkste, vaak te veel toeren maakt of moet opschakelen net voor je gaat remmen. In dat geval zou je een iets hogere differentieelverhouding kunnen installeren (of een lager getal – zie de semantiek in de zijbalk).
Je zou zelfs kunnen berekenen hoeveel van een verandering ideaal zou zijn, als je wist hoeveel je te veel toeren maakte. Stel dat je 500 toeren over een aanbevolen limiet van 6000 toeren per minuut gaat. Dan zou je een hogere differentieelverhouding willen die 6000 gedeeld door 6500 is, vermenigvuldigd met je bestaande verhouding. Het maakt niet veel uit of je met zo’n hoger differentieel gaat of naar een lager differentieel en dan eerder opschakelen-tenzij je je hoogste versnelling kunt gebruiken, die waarschijnlijk direct (of 1:1) zal zijn, en iets minder vermogensverlies van de aandrijflijn zal hebben. Er zijn een paar redenen om zo min mogelijk te hoeven schakelen, onder andere om de werkdruk op de bestuurder te verminderen en de kans op het verknallen van een versnelling (en de bijbehorende verkeerde versnelling, slijtage aan onderdelen, enz.) te minimaliseren.
Minder schakelen voorkomt ook de tiende van een seconde of zo van acceleratieverlies als gevolg van “stilstand” tussen versnellingen. Maar laat dat de acceleratiewaarde van meer versnellingen om de motor in zijn koppelpiek te houden niet overwinnen. Het eenvoudige antwoord voor het selecteren van de beste versnellingsverhoudingen is het vinden van de verhoudingen die de bestuurder gelukkig maken, deels door het aantal schakelingen te minimaliseren, maar belangrijker door de rondetijden te minimaliseren.
Simple Method Chart
Hier is een down-and-dirty manier om de beste versnelling voor een bepaalde auto te kiezen uit drie keuzes: 3,07:1 eindoverbrenging met een wide-ratio transmissie, een 3,07:1 eindoverbrenging met een close-ratio transmissie, en een 3,36:1 eindoverbrenging met een close-ratio transmissie. In ons voorbeeld gaan we uit van een toerental van 6000 omw/min en banden met een diameter van 26 inch. Om de mph in versnellingen te vinden, gebruik je deze formule: (.003) x (tpm) x (banddiameter in inches)/(differentieelverhouding) x (transmissieverhouding). Deze wiskunde levert de volgende vergelijking op: 468/(differentieelverhouding) x (transmissieverhouding). (De .003 converteert inches en minuten naar mph.) Het uitzetten van snelheidsbalken bij redline in alle vier de versnellingen voor onze verschillende overbrengingsverhoudingen levert deze spreiding op.
Transmissie Keuzes: Synchronisatoren vs. “honden”
Alle transmissie tandwielparen zijn altijd in mesh, maar zijn slechts intermitterend verbonden met hun assen. Transmissies van personenauto’s maken deze verbinding met wrijvingsvlakken die het eerst contact maken, om de draaisnelheden soepeler op elkaar af te stemmen.
In de racerij slijten deze synchronisatoren snel, of zijn gevoelig voor meer onmiddellijke defecten. In pure raceversnellingsbakken zijn de tandwielen afwisselend met de hoofdas verbonden door getrapte tandwielen, ook wel “dogs” genoemd, die ontworpen zijn om zeer snel en stevig in de volgende versnelling te grijpen, een actie die te ruw is voor alledaags rijden. De onderhoek en de hoekradii van deze honden zijn zorgvuldig ontworpen om te grijpen zonder te slijten en stevig te vergrendelen zolang het koppel wordt overgebracht.
Veel bestuurders die dit soort bakken hebben, schakelen zonder gas te geven, of gebruiken de koppeling alleen voor staande starts. En tenzij ze zijn erg goed in, de honden krijgen grond rond, en als gevolg daarvan ofwel zal niet gaan in, of blijven in, gear.
Either type van synchronisatie wordt een groot deel geholpen als de bestuurder leert om snelheden overeenkomen tussen versnellingen door het moduleren van het gaspedaal-door een fractie van een seconde te laten zakken tijdens de upshift, of een lichte blip tijdens de downshift. Anders kunnen de synchronisatoren of nokken snel versleten of gebroken zijn, waardoor de bestuurder de versnellingen nog beter op elkaar moet afstemmen of misschien zelfs de versnellingspook in de versnelling moet houden.
Keuzes in tandwielen
De versnellingsbakken van personenauto’s gebruiken schuin afgesneden of “spiraalvormig afgesneden” tandwieltanden om het geluid te verminderen, terwijl differentieelversnellingen “hypoïde” afgesneden tanden hebben. (Deze soorten tandwielen worden ook gebruikt om de aandrijfas middellijn te verlagen.) Voor meer kracht en efficiency, echter, race auto’s gebruiken alleen rechte “spur” tandwielen, die voornamelijk rolcontact hebben op hun oppervlakken, in plaats van glijdend contact.
Tandwieloverbrenging voor Autocross
Tandwieloverbrenging selectie is een stuk eenvoudiger wanneer uw snelheidsbereik is veel smaller en veel lager. De minimum bochtsnelheid voor een autocrosser is waarschijnlijk geen relevant selectiecriterium hier, want met veel overtollig vermogen bij lagere snelheden, kun je niet het volledige vermogen gebruiken voor een groot deel van de bocht, en daarom is gearing relatief onbelangrijk.
Als je een data-acquisitie systeem hebt om je snelheidsgeschiedenis te registreren, dan is het ook nuttig om de gasklepstand te registreren. Of, als je zelfs een enkel kanaal met gegevens hebt, registreer dan gewoon je snelheid terwijl je wijd open gas geeft. Het snelheidssignaal zou kunnen lopen via een eenvoudige aan/uit schakelaar op de gashendel stop. Laten we zeggen dat je totale snelheid bij wijd open gas tussen 35 en 60 mph ligt-typische waarden voor de gemiddelde autocross, ongeacht waar die gehouden wordt. Dan is het mogelijk dat u een differentieel verhouding kiest die een enkele transmissie overbrengingsverhouding – maakt niet uit welke – zou plaatsen om dat bereik te dekken. Het resultaat is dat je geen schakelpunt hebt in het midden van een rechte lijn.
Praktijkoefening
Tijd om de rekenlinialen op te bergen en te kijken hoe overbrengingsverhoudingen de rondetijden beïnvloeden. Onze onderwerpen zijn een paar Grand American Rolex-klasse Porsche GT3 Cup auto’s van Team Sahlen, en de oefening bestaat uit het vergelijken van twee verschillende versnellingsbakken, een wide-ratio bak en een close-ratio bak. Ons klaslokaal is Watkins Glen International, en team coureur Wayne Nonnamaker is de professor van vandaag.
“Turn 5, het midden van de grafiek, vertegenwoordigt het verlaten van de veters van de Boot op Watkins Glen en op weg naar de teen van de Boot,” onze bestuurder merkt op. De bovenste twee lijnen op de Pi Research data-acquisitie printout vertegenwoordigen de rpm voor de twee auto’s. “De zwarte lijn is de grafiek van de auto met de strakkere versnellingen, en de rode lijn is die van de langere versnellingen,” legt hij uit. “Je kunt zien dat de strakkere versnellingsbak twee keer moet schakelen op het rechte stuk, terwijl de langere versnellingsbak maar één keer hoeft te schakelen.” De middelste twee lijnen geven de snelheid in mph van de twee auto’s weer, met zwart voor de strakkere bak en roze voor de langere versnellingen. “De onderste lijn is de afstand tussen de twee auto’s,” merkt Wayne op. “Je kunt op het rechte stuk zien dat er een paar tienden van een seconde winst is als het vermogen wordt opgevoerd. Je kunt ook zien dat de langere versnellingsbak een grote inhaalslag maakt als de andere bak wordt opgeschakeld, maar de winst is niet genoeg om het verlies van de powerband goed te maken.” Op dit circuit en met deze toepassing produceert de close-ratio bak de snellere ronden, ook al moet er iets meer worden geschakeld.
“Houd er ook rekening mee dat de Porsche GT3 Cup een wat piekerige motor is,” voegt Wayne toe. “Dat betekent dat het essentieel is om hem in de powerband te houden. Als je een bredere powerband hebt, is dat niet zo essentieel. Dus als je kijkt naar hoe dicht je je versnellingen wilt hebben, is de breedte van je powerband erg belangrijk.” Hoewel de overbrengingsverhoudingen een deel van het verhaal zijn, moet er ook worden gekeken naar hoeveel misbruik die eenheden kunnen incasseren. “In onze Rolex-auto’s kan de transmissie zo snel worden geschakeld als je fysiek kunt”, legt Wayne uit over hun Porsche GT3 Cup-auto’s. Hun Grand-Am Cup Porsche 996 machines, hoewel uiterlijk vergelijkbaar, hebben een iets fijnere hand nodig. “In de Grand-Am Cup auto’s moet je heel even wachten, anders slijp je de versnellingsbak en scheur je hem.” Wayne zegt dat kijken naar de specifieke auto belangrijk is bij het bespreken van de overbrengingsverhoudingen. “Dus als je een Ford Mustang hebt met een brede powerband en een versnellingsbak die er even over doet om te schakelen, dan is het waarschijnlijk niet de moeite waard om die overbrengingsverhoudingen aan te scherpen”, voegt hij eraan toe. “Als je echter een Integra Type R hebt waarbij je transmissie vrij snel schakelt en de band erg piekerig is, dan zal het waarschijnlijk de moeite waard zijn om de verhoudingen aan te scherpen.”
Bekijk reacties op de GRM forums
7/16/18 1:16 p.m.
Groot artikel!
1/4/21 9:53 a.m.
Hoe wordt de stuwkrachtlimiet van de wielspin berekend?
1/4/21 4:32 p.m.
Je kunt ook naar de gegevens kijken je kunt ook naar de versnelling Gs kijken. Als de acceleratie Gs afneemt moet je je gearing aanpassen.
Je moet inloggen om te kunnen posten. Log in