story by paul van valkenburgh – photos as credited
Czasami najprostsze, najbardziej niewinne pytanie wymaga złożonego i wymagającego wyjaśnienia. Albo i nie. Na przykład, powiedzmy, że 7-latek pyta: „Tato, skąd się wziąłem?”. I po wytrzymaniu długiego, naciąganego wyjaśnienia o ptakach i pszczołach, dziecko odpowiada: „Nie, chodzi mi o to, z jakiego kraju!”. Niedawno pytanie zawodnika dotyczące doboru przełożeń doprowadziło do tej analizy rozważań inżynierskich. Odpowiedź jest naprawdę bardzo zróżnicowana, w zależności od specyficznych potrzeb i zasobów każdej osoby, od przypadkowego amatora do profesjonalnego wyścigu drogowego – lub od stockowych sedanów z napędem przednim z niewielką ilością opcji przełożeń do zawodników z silnikiem V8 z szybką skrzynią biegów.
Jeśli często jeździsz tym samym torem, a twój samochód jest taki, jakim go kupiłeś, prawdopodobnie odkryłeś, że biegi nie pasują do wyjść z zakrętu lub prostych bardzo dobrze. Może drugi bieg jest za niski i musisz od razu przełączać na trzeci, a może ten bieg jest za wysoki i nie masz wystarczającego momentu obrotowego. A może na końcu prostej musisz albo podkręcić silnik, albo zmienić bieg na chwilę przed hamowaniem.
Masz trzy opcje poprawy sytuacji, chociaż twoje drogi mogą być ograniczone przez budżet, dostępny sprzęt lub zasady dyktowane przez organ nadzorujący. Możesz zmienić średnicę opon, ale to zazwyczaj ma niewielki wpływ na przełożenie, a duży na prowadzenie i wysokość zawieszenia. (Nie zapominaj, że podniesienie samochodu wpłynie również na aerodynamikę.) Drugą opcją jest wyposażenie samochodu w szybką skrzynię biegów z wieloma przełożeniami dostępnymi na każdym biegu.
Jako bonus, może to sprawić, że będziesz w stanie poradzić sobie z jednym przełożeniem mechanizmu różnicowego na większości torów. Wreszcie, jeśli jest niewiele lub nie ma opcji dla skrzyni biegów, to miejmy nadzieję, że przynajmniej końcowy napęd może być zmieniony, aby dopasować się do różnych torów. Jednakże, zmieni to przełożenie na każdym biegu o tę samą wielokrotność, co prawdopodobnie zdenerwuje cię w innym zakręcie. Jak już mówiliśmy, realia sytuacji mogą ograniczać wybór, którego możesz dokonać. Wielu z nas może być ograniczonych tylko do zmiany ostatniego biegu lub wyboru pomiędzy kilkoma różnymi trybami skrzyni biegów. Mimo to, zawsze jest nadzieja.
Ekonomia vs. Moc
Idealne przełożenie mechanizmu różnicowego produkcji – te biegi, które znajdują się przy kołach napędowych samochodu – dla ulicy jest tak wysokie, jak to możliwe dla oszczędności paliwa, z rosnącą liczbą przełożeń skrzyni biegów, aby uzyskać dobre przyspieszenie od martwego punktu. Dlatego niektóre skrzynie manualne mogą mieć do sześciu biegów, z możliwością najwyższego przełożenia jako nadbiegu. Ale czy jesteś początkującym czy zawodowcem, optymalne rozwiązanie dla konkurencji zawsze będzie takie samo:
Po pierwsze, zidentyfikuj przełożenia, które tworzą maksymalny obszar pod krzywą momentu obrotowego twojego silnika między minimalną a maksymalną prędkością obrotową w każdym segmencie przyspieszenia lub prostej; a po drugie, zmniejsz obciążenie kierowcy związane ze zmianą biegów. Zmiana biegów jest zazwyczaj ostatnim etapem konfiguracji samochodu wyścigowego, ponieważ zależy od wszystkich prędkości wyjścia z zakrętu i prędkości maksymalnych na prostej, które zależą od ostatecznego rozwoju mocy w zakrętach, hamowania i aerodynamiki. Nie tylko przełożenie ma niewielki wpływ na te czynniki, ale jest to jedna z rzeczy, którą stosunkowo łatwo dostosować w ostatniej chwili – w samochodach wyścigowych, które mają szybką zmianę przełożeń.
Możliwe jest rozwiązanie kwestii optymalnego przełożenia dla każdego toru wyścigowego poprzez zgadywanie i testowanie – chyba, że tor jest nowy lub nie może być wstępnie przejechany, jak w autocrossingu, co rozważymy w osobnym pasku bocznym. Ale przy wielu przełożeniach dostępnych w niektórych wyścigowych skrzyniach biegów, które można zamontować w dużych samochodach z przednim silnikiem i tylnym napędem, liczba wyborów i koszt czasu spędzonego na torze sprawiają, że ważne jest zastosowanie jakiejś racjonalnej metody. Przyjrzyjmy się najpierw profesjonalnemu podejściu, a następnie zredukujmy je do poziomu praktycznego.
Profesjonalne podejście
Rysunek 1
Idealną informacją wyjściową byłoby nagranie prędkości na każdym konkretnym torze dla podobnego pojazdu. Z nich, wszystkie minimalne prędkości na zakrętach i maksymalne prędkości na prostej mogą być znalezione. Jest to jedno z najcenniejszych uzasadnień dla elektronicznych systemów zbierania danych – nawet tych najprostszych, z zaledwie kilkoma kanałami.
W przeciwnym razie kierowca musi obserwować wszystkie te punkty obrotów na prostej, ewentualnie za pomocą rejestratora głosu lub wideo. Minimalne i maksymalne zakresy przyspieszenia dla każdej prostej mogą być następnie wykreślone w postaci wykresu słupkowego, jak pokazano na dole rysunku 1. Zakładając, że nie będzie żadnych startów stojących, słupki te pozwalają obliczyć całkowity zakres obrotów silnika, który musi być brany pod uwagę. Czasami mogą być tylko dwie opcje, z wyborem ograniczonym do bliskiego lub szerokiego przełożenia.
Podstawowa różnica w zastosowaniach jest pomiędzy drag racing, z jego startami stojącymi, a wyścigami drogowymi, gdzie minimalne prędkości są ewentualnie około 40 mph. Dla dobrego startu w dragach, często chcesz najniższy możliwy pierwszy bieg i starannie rozmieszczone kroki stamtąd. Ale dla wyścigów drogowych, jeśli nie ma startów stojących lub pit stopów, możesz być mniej zaniepokojony niskim pierwszym biegiem i zamiast tego zrobić go wyższym i być może możliwym do wykorzystania na trasie. Dlatego chcesz, aby przełożenia były stopniowane od najwolniejszego zakrętu do maksymalnej prędkości na prostej. W obu przypadkach, fabryka prawdopodobnie już dokonała wyboru przełożeń, bazując na swojej wiedzy na temat krzywej momentu obrotowego silnika. Jednakże, gdy przełożenia mają być wybrane, aby dopasować moment obrotowy zmodyfikowanego silnika, lub aby spełnić wymagania konkretnego kursu wyścigów drogowych prędkości zakrętów, wtedy pomaga mieć szerszy wybór.
Na przykład, znana czterobiegowa skrzynia biegów BorgWarner T10 została wykupiona przez Richmond Gear i jest dostępna przez (http://www.texracing.com/). Ma ona osiem możliwych kombinacji przełożeń. (http://www.richmondgear.com/) również kupił prawa do starych pięcio- i sześciobiegowych skrzyń biegów Douga Nasha, które mają co najmniej osiem możliwości przełożeń na każdym biegu dla prawie nieograniczonej liczby kombinacji.
Jednakże są one o wiele droższe i dlatego są nieosiągalne dla wszystkich oprócz profesjonalnych zawodników. W tym momencie poważny zawodnik może wziąć swoją krzywą momentu obrotowego z hamowni i użyć komputera, aby przekonwertować ją na siłę ciągu na tylnych kołach w każdym możliwym przełożeniu, a następnie wykreślić ją względem prędkości wraz z wykresami słupkowymi prędkości toru. Można to zobaczyć w górnej części rysunku 1. Etykiety numeryczne na tych krzywych pokazują przełożenie mechanizmu różnicowego pomnożone przez przełożenie skrzyni biegów w każdym możliwym przełożeniu. Zaczynasz od wybrania najniższego możliwego do użycia biegu, który nie przekracza limitu wheelspin (jak 6.87 oczywiście), następnie uruchamiasz go do jego maksymalnej prędkości w rpm (lub punkt, w którym jego ciąg przecina kolejną krzywą przełożenia), a następnie jest on przesunięty w dół do innego wyższego przełożenia. Wizualnie możesz zobaczyć ten problem na wykresie.
Jeśli masz pięciobiegową skrzynię, wtedy chcesz wybrać pięć przełożeń, które dadzą Ci maksymalny obszar pod ich krzywymi w zacienionym obszarze. Jeśli byłoby możliwe, aby mieć nieograniczoną liczbę biegów, lub stale zmiennej transmisji, a następnie rpm może pozostać na szczyt momentu obrotowego i ciąg dostępny byłby jeden gładki krzywej. Te krzywe ilustrują również, dlaczego tak ważne jest posiadanie stosunkowo płaskiej krzywej momentu obrotowego silnika w tak szerokim zakresie obrotów, jak to tylko możliwe. Jeśli moment obrotowy silnika gwałtownie spada, lub ma zauważalne spadki spowodowane doborem krzywki lub efektami strojenia tarana dolotowego lub wydechowego, wtedy trudniej będzie uniknąć spadków krzywej ciągu poprzez zastosowanie doboru przełożeń. Proces ten pokazuje również, jak powszechna praktyka oceniania silników według mocy szczytowej jest stosunkowo nieistotna.
Suplementarna metoda
Jest jednak tańszy i prostszy sposób na dobór przełożeń: wykorzystanie doświadczenia i eksperymentów, jak pokazano na naszym wykresie uproszczonej metody. W naszym przykładzie weźmiemy pod uwagę tylko trzy opcje przełożeń i założymy, że tor ma tylko cztery główne proste. Chociaż jest to ograniczone ćwiczenie, nadal możemy badać kompromisy w nieskończoność, nie osiągając optymalnego rozwiązania, dlatego profesjonaliści chcą mieć skrzynię biegów z wieloma opcjami na każdym biegu.
Od razu widać, że opcja z szerokim przełożeniem jest „przeciążona” dla prędkości maksymalnej na tym torze, a także ma duży spadek obrotów między drugim i trzecim. (Im szybciej jedziesz, tym bliższe powinny być przełożenia zmiany biegów, ale to już inna, bardziej złożona historia). Mechanizm różnicowy 3,07:1 z przekładnią o bliskim przełożeniu podnosi drugi bieg tak bardzo, że silnik będzie „grzęznąć” przy wychodzeniu z najwolniejszych zakrętów – a nie chcesz zmieniać biegu na pierwszy. To daje nam kolejny powód do obniżenia przełożenia mechanizmu różnicowego 3,07:1. (Pamiętaj, że obniżenie przełożenia daje wyższą liczbę.)
Aby znaleźć idealny wybór, pomnóż końcowe przełożenie napędu przez prędkość maksymalną na czwartym biegu (152 mph) i podziel to przez maksymalną prędkość na torze (140 mph). Dałoby to teoretyczną wartość 3,33, która jest wystarczająco bliska najbliższemu dostępnemu końcowemu przełożeniu napędu, wynoszącemu 3,36:1. Połączenie przełożenia końcowego 3,36:1 z przekładnią o bliskim przełożeniu da tylko jeden punkt zmiany biegów na pierwszych trzech prostych i dwa na ostatniej, najdłuższej z nich. Istnieje jeszcze prostszy sposób na określenie właściwego przełożenia: Po prostu oprzyj swoją decyzję wyłącznie na opinii kierowcy. Powiedzmy, że na większości prostych, lub na tych najważniejszych, masz tendencję do nadmiernego zwiększania obrotów lub musisz zmieniać bieg tuż przed hamowaniem. W tym przypadku, to co możesz chcieć zrobić, to zainstalować nieco wyższe przełożenie mechanizmu różnicowego (lub niższy numer – patrz semantyka sidebar).
Możesz nawet obliczyć, jak duża zmiana byłaby idealna, jeśli wiesz, jak bardzo jesteś over-revving. Powiedzmy, że jechałeś 500 obr/min powyżej zalecanego limitu 6000 obr/min. Wtedy chciałbyś wyższe przełożenie różnicowe, które było 6000 podzielone przez 6500, pomnożone przez istniejące przełożenie. To nie ma większego znaczenia, czy idziesz z wyższym dyferencjałem jak to lub do niższego dyferencjału, a następnie upshift wcześniej – chyba że można użyć swojego górnego biegu, który prawdopodobnie będzie bezpośredni (lub 1:1), i będzie miał nieco mniejszą utratę mocy układu napędowego. Istnieje kilka powodów, aby zminimalizować potrzebę zmiany biegów, między innymi, aby zmniejszyć obciążenie kierowcy i zminimalizować możliwość wysadzenia zmiany (i towarzyszącego jej niewłaściwego biegu, zużycia części, itp. Ale nie pozwól, aby to przezwyciężyło wartość przyspieszenia większej liczby biegów, aby utrzymać silnik w szczytowym momencie obrotowym. Prostą odpowiedzią na wybór najlepszych przełożeń jest znalezienie takich, które uszczęśliwią kierowcę, częściowo poprzez zminimalizowanie liczby zmian, ale co ważniejsze poprzez zminimalizowanie czasów okrążenia.
Simple Method Chart
Oto prosty i brudny sposób na wybranie najlepszego przełożenia dla danego samochodu z trzech opcji: 3,07:1 napęd końcowy z przekładnią o szerokim przełożeniu, 3,07:1 napęd końcowy z przekładnią o bliskim przełożeniu oraz 3,36:1 napęd końcowy z przekładnią o bliskim przełożeniu. W naszym przykładzie założymy 6000 obr/min na czerwonej linii i opony o średnicy 26 cali. Aby znaleźć mph na biegach, użyj następującego wzoru: (.003) x (obr/min) x (średnica opon w calach)/(przełożenie mechanizmu różnicowego) x (przełożenie skrzyni biegów). Ta matematyka daje następujące równanie: 468/(przełożenie mechanizmu różnicowego) x (przełożenie skrzyni biegów). (The .003 po prostu konwertuje cale i minuty na mph.) Wykres słupków prędkości na czerwonej linii na wszystkich czterech biegach dla naszych różnych stosunków daje ten rozrzut.
Wybory przekładni: Synchronizatory vs. „Psy”
Wszystkie pary kół zębatych skrzyni biegów są zawsze w zazębieniu, ale są tylko sporadycznie połączone ze swoimi wałami. W przekładniach samochodów osobowych to połączenie jest realizowane za pomocą powierzchni ciernych, które stykają się jako pierwsze, aby dopasować prędkości obrotowe bardziej płynnie.
W zastosowaniach wyścigowych, te synchronizatory zużywają się szybko lub są podatne na bardziej natychmiastowe awarie. W czysto wyścigowych skrzyniach biegów, biegi są naprzemiennie połączone z wałem głównym za pomocą stopniowanych trybów, znanych również jako „psy”, które są zaprojektowane tak, aby włączyć lub złapać następny bieg bardzo szybko i mocno, co jest działaniem zbyt ostrym dla codziennej jazdy. Kąt podcięcia i promienie narożników tych psów są starannie zaprojektowane, aby złapać bez zużycia i zablokować razem mocno tak długo, jak długo przekazywany jest moment obrotowy.
Wielu kierowców, którzy mają tego rodzaju skrzynie albo power shift bez puszczania przepustnicy, lub używać sprzęgła tylko do startów stojących. I o ile nie są w tym bardzo dobrzy, psy się zaokrąglają i w rezultacie albo nie wejdą, albo nie zostaną na biegu.
Każdy rodzaj synchronizacji jest bardzo pomocny, jeśli kierowca nauczy się dopasowywać prędkości pomiędzy biegami poprzez modulowanie pedału przepustnicy – przez ułamek sekundy podczas zmiany biegu w górę, lub lekkie muśnięcie podczas zmiany biegu w dół. W przeciwnym razie, synchronizatory lub uchwyty mogą być szybko zużyte lub złamane, wymagając od kierowcy jeszcze dokładniejszego dopasowania prędkości – lub może nawet przytrzymania dźwigni zmiany biegów na biegu.
Wybory zębów przekładni
Przekładnie samochodów osobowych używają zębów przekładni kątowej lub „spiralnej” w celu zmniejszenia hałasu, podczas gdy przekładnie różnicowe posiadają zęby „hipoidalne”. (Te rodzaje kół zębatych są również używane do obniżenia linii środkowej wału napędowego). Dla zwiększenia wytrzymałości i wydajności, jednakże, samochody wyścigowe używają tylko prosto wyciętych kół zębatych „ostrogowych”, które przede wszystkim mają kontakt toczny na swoich powierzchniach, zamiast kontaktu ślizgowego.
Napęd do autocrossu
Wybór przełożenia jest o wiele łatwiejszy, gdy twój zakres prędkości jest dużo węższy i dużo niższy. Minimalna prędkość na zakręcie dla autocrossowca prawdopodobnie nie jest tutaj istotnym kryterium wyboru, ponieważ z dużą nadwyżką mocy przy niższych prędkościach, nie możesz używać pełnej mocy przez większą część zakrętu, a zatem przełożenie jest stosunkowo nieistotne.
Jeśli masz system zbierania danych, aby rejestrować historię prędkości, to warto również rejestrować pozycję przepustnicy. Lub, jeśli masz nawet pojedynczy kanał danych, po prostu nagraj swoją prędkość, gdy jesteś przy szeroko otwartej przepustnicy. Sygnał prędkości może być przesyłany przez prosty przełącznik on/off na ograniczniku przepustnicy. Załóżmy, że Twój całkowity zakres prędkości przy otwartej przepustnicy wynosi od 35 do 60 mph – typowe wartości dla przeciętnego autocrossu, niezależnie od miejsca, w którym się odbywa. Wtedy możliwe jest, że możesz wybrać takie przełożenie mechanizmu różnicowego, które sprawi, że jedno przełożenie skrzyni biegów – nieważne które – pokryje ten zakres. W rezultacie, nie będziesz miał punktu zmiany biegów w samym środku prostej.
Ćwiczenie praktyczne
Czas odłożyć suwaki i sprawdzić, jak przełożenia skrzyni biegów wpływają na czasy okrążeń. Naszymi obiektami będzie para samochodów Porsche GT3 Cup klasy Grand American Rolex z Teamu Sahlen, a ćwiczenie będzie polegało na porównaniu dwóch różnych skrzyń biegów, skrzyni o szerokim przełożeniu i skrzyni o przełożeniu bliskim. Naszą salą jest Watkins Glen International, a profesorem jest kierowca zespołu Wayne Nonnamaker.
„Zakręt 5, środek wykresu, reprezentuje wyjście ze sznurowadeł buta na Watkins Glen i zmierzanie w kierunku palca buta” – zauważa nasz kierowca. Dwie górne linie na wydruku z akwizycji danych Pi Research przedstawiają obroty obu samochodów. „Czarna linia to wykres samochodu z ciaśniejszymi przełożeniami, a czerwona linia to wykres samochodu z dłuższymi przełożeniami” – wyjaśnia. „Widać, że ciaśniejsza skrzynia biegów musi wykonać dwie zmiany na prostej, podczas gdy dłuższa skrzynia ma tylko jedną zmianę”. Środkowe dwie linie przedstawiają prędkość w milach na godzinę obu samochodów, przy czym czarna oznacza ciaśniejszą skrzynię, a różowa dłuższe przełożenia. „Dolna linia to różnica pomiędzy dwoma samochodami” – zauważa Wayne. „Na prostej widać, że po zwiększeniu mocy zyskujemy kilka dziesiątych sekundy. Widać również, że dłuższa skrzynia biegów znacznie nadrabia dystans, gdy druga skrzynia jest przełączana, ale zysk nie jest wystarczający, aby zrekompensować straty wynikające z braku pasma mocy.” Na tym torze i w tym zastosowaniu skrzynia o bliskim przełożeniu pokonuje okrążenia szybciej, mimo że wymaga nieco więcej zmiany przełożeń.
„Należy również pamiętać, że Porsche GT3 Cup jest silnikiem o dość dużej mocy” – dodaje Wayne. „Oznacza to, że utrzymanie go w paśmie mocy jest niezbędne. Jeśli masz szerszy zakres mocy, nie jest to aż tak istotne. Tak więc, gdy zastanawiamy się jak blisko siebie chcemy mieć przełożenia, szerokość pasma mocy jest bardzo kluczowa.” Podczas gdy przełożenia są częścią historii, należy również wziąć pod uwagę, jak bardzo nadużywane są te jednostki. „W naszych samochodach Rolex skrzynię biegów można zmieniać tak szybko, jak tylko jest to fizycznie możliwe” – wyjaśnia Wayne, odnosząc się do swoich samochodów Porsche GT3 Cup. Ich maszyny Grand-Am Cup Porsche 996, choć z zewnątrz podobne, wymagają nieco delikatniejszej ręki. „W samochodach Grand-Am Cup musisz odczekać krótką chwilę, bo inaczej zmielisz skrzynię biegów i ją rozerwiesz”. Wayne mówi, że przy omawianiu przełożeń skrzyni biegów ważne jest spojrzenie na konkretny samochód. „Więc jeśli masz Forda Mustanga z szerokim pasmem mocy i skrzynią biegów, której zmiana zajmuje chwilę; prawdopodobnie nie warto zaostrzać tych przełożeń” – dodaje. „Jeśli jednak jeździsz Integrą Type R, gdzie skrzynia biegów zmienia się dość szybko, a pasmo jest bardzo szczytowe, to prawdopodobnie warto będzie zacieśnić te przełożenia.”
Zobacz komentarze na forum GRM
7/16/18 1:16 p.m.
Great article!
1/4/21 9:53 a.m.
How is the wheelspin thrust limit calculated?
1/4/21 4:32 p.m.
You can also look at the data you can also look at the acceleration Gs. Jeśli Gs przyspieszenia spada musisz dostosować swoje przełożenie.
Musisz się zalogować, aby móc pisać. Zaloguj się