story by paul van valkenburgh – photos as credited
Ibland kräver den enklaste och mest oskyldiga frågan en komplex och krävande förklaring. Eller inte. Säg till exempel att en sjuåring frågar: ”Pappa, var kommer jag ifrån?”. Och efter att ha fått utstå en lång och ansträngd förklaring om fåglar och bin svarar barnet: ”Nej, jag menar vilket land!”. Nyligen ledde en tävlingsledares fråga om val av växelförhållande till denna analys av de tekniska övervägandena. Svaret varierar verkligen mycket, beroende på varje individs specifika behov och resurser, från den tillfälliga amatörbilisten som kör autocross till professionella roadracers – eller från vanliga framdrivna sedans med få växlingsalternativ till V8-drivna racerbilar med snabbväxlade växellådor.
Om du kör samma bana ofta, och din bil är precis som du köpte den, har du antagligen upptäckt att växlarna inte matchar svängarnas utfarter eller raksträckorna särskilt bra. Kanske är andra växeln för låg och du måste växla direkt till tredje, eller kanske är den växeln för hög och du har inte tillräckligt med vridmoment. Eller kanske måste du precis i slutet av raksträckan antingen överrevidera motorn eller växla upp ett ögonblick innan du bromsar.
Du har tre alternativ för att förbättra situationen, även om dina vägar kan begränsas av budget, tillgänglig utrustning eller de regler som dikteras av det sanktionerande organet. Du kan ändra däckdiametern, men detta har vanligtvis en liten effekt på växelförhållandet och en stor effekt på hanteringen och åkhöjden. (Glöm inte att en höjning av bilen också påverkar aerodynamiken.) Ditt andra alternativ är att utrusta din bil med en snabbväxlad växellåda med många utväxlingar tillgängliga i varje växel.
Som bonus kan detta göra det möjligt för dig att klara dig med bara en differentialutväxling för de flesta banor. Slutligen, om det finns få eller inga alternativ för växellådan kan förhoppningsvis åtminstone slutväxeln ändras för att passa olika banor. Detta kommer dock att ändra förhållandet i varje växel med samma multipel, vilket förmodligen kommer att göra dig upprörd i ett annat hörn. Som vi sa kan situationens realiteter begränsa vilka av dessa val du kan göra. Många av oss kan vara begränsade till att bara byta slutväxel eller kanske välja mellan några olika kugghjul i växellådan. Ändå finns det alltid hopp.
Ekonomi kontra effekt
Det idealiska produktionsdifferentialförhållandet – de kugghjul som finns vid bilens drivhjul – för gatan är så högt som möjligt för bränsleekonomi, med ett ökande antal transmissionsförhållanden för att få en bra acceleration från ett stillastående. Det är därför som vissa manuella växellådor numera kan ha upp till sex växlar, där det högsta förhållandet eventuellt är en överväxel. Men oavsett om du är nybörjare eller proffs kommer den optimala lösningen för tävling alltid att vara densamma:
För det första ska du identifiera de utväxlingar som skapar den största ytan under motorns vridmomentkurva mellan lägsta och högsta varvtal i varje accelerationssegment eller på varje raksträcka, och för det andra ska du minska förarens arbetsbörda vid växling. Växling är vanligtvis det sista steget i inställningen av tävlingsbilen, eftersom den är beroende av alla kurvutgångshastigheter och topphastigheter på raksträckan, som är beroende av den slutliga utvecklingen av kurvkraft, bromsning och aerodynamik. Inte nog med att växlingen har liten inverkan på dessa faktorer, den är en sak som är relativt lätt att justera i sista minuten – i tävlingsbilar som har snabbväxling.
Det är möjligt att lösa frågan om optimal växling för varje tävlingsbana genom gissningar och tester – såvida inte banan är ny eller inte kan köras i förväg, som vid autocross, vilket vi kommer att ta upp i ett separat sidospår. Men med de många utväxlingar som finns tillgängliga i vissa av de racingtransmissioner som kan monteras på de stora bilarna med frammotor och bakhjulsdrift gör antalet valmöjligheter och kostnaden för bantid att det är viktigt att använda någon rationell metod. Låt oss först titta på det professionella tillvägagångssättet och sedan reducera det till en praktisk nivå.
Professionellt tillvägagångssätt
Figur 1
Den ideala utgångsinformationen skulle vara en inspelning av hastigheterna runt hela varje specifik bana för ett liknande fordon. Utifrån dessa kan alla lägsta kurvhastigheter och högsta hastigheter på raksträckan hittas. Detta är en av de mest värdefulla motiveringarna för elektroniska datainsamlingssystem – även de enklaste med bara några få kanaler.
I annat fall måste föraren observera alla dessa hastigheter på raksträckan, eventuellt med röst- eller videobandspelare. De lägsta och högsta accelerationsområdena för varje raksträcka kan sedan plottas som ett stapeldiagram, som visas längst ned i figur 1. Om man antar att det inte förekommer några stående starter kan man med hjälp av dessa staplar beräkna det totala motorvarvtalsintervallet som måste beaktas. Ibland kan det bara finnas två alternativ, med valmöjligheterna begränsade till en växellåda med nära eller bred utväxling.
Den grundläggande skillnaden i tillämpningar är mellan dragracing, med dess stående starter, och roadracing, där minimihastigheterna möjligen ligger runt 40 mph. För bra dragstarter vill man ofta ha lägsta möjliga första växelförhållande och försiktigt fördelade steg därifrån. Men för roadracing, om det inte finns några stående starter eller depåstopp, kan man vara mindre angelägen om en låg första växel och i stället göra den högre och eventuellt användbar på banan. Därför vill du att utväxlingarna ska vara stegvisa från den långsammaste kurvan till den högsta hastigheten på raksträckan. I båda fallen har fabriken förmodligen redan gjort dessa val av utväxling på grundval av sin kunskap om motorns vridmomentkurva. Men när utväxlingarna ska väljas för att passa vridmomentet hos en modifierad motor, eller för att uppfylla kraven för svänghastigheterna på en särskild roadracingbana, hjälper det att ha ett bredare urval.
Den välkända fyrväxlade växellådan T10 från BorgWarner köptes till exempel upp av Richmond Gear och finns tillgänglig via (http://www.texracing.com/). Den har åtta möjliga kombinationer av växelförhållanden. (http://www.richmondgear.com/) köpte också rättigheterna till de gamla Doug Nash fem- och sexväxlade växellådorna, som har minst åtta utväxlingsmöjligheter i varje växel för ett nästan obegränsat antal kombinationer.
De är dock mycket dyrare och därför kostnadsförbjudna för alla utom professionella racerförare. Vid denna tidpunkt kan den seriöse racerföraren ta sin vridmomentkurva från dynon och använda en dator för att omvandla den till dragkraft till bakhjulen i varje möjligt utväxlingsförhållande, och sedan plotta den mot hastigheten tillsammans med stapeldiagrammen för hastigheten på banan. Detta kan ses i den övre delen av figur 1. De numeriska etiketterna på dessa kurvor visar differentialförhållandet multiplicerat med växelförhållandet i varje möjligt val av växelförhållande. Du börjar med att välja den lägsta användbara växeln som inte går långt över hjulspinngränsen (vilket 6,87 uppenbarligen gör), sedan körs den upp till dess maximala hastighet i varvtal (eller den punkt där dess dragkraft skär nästa utväxlingskurva), och sedan växlas den ner till en annan högre utväxling. Visuellt kan du se problemet i diagrammet.
Om du har en femväxlad låda vill du välja de fem utväxlingar som skulle ge dig den största ytan under deras kurvor i det skuggade området. Om det vore möjligt att ha ett obegränsat antal växlar, eller en kontinuerligt variabel växellåda, skulle varvtalet kunna ligga kvar på toppmomentet och den tillgängliga dragkraften skulle vara en jämn kurva. Dessa kurvor illustrerar också varför det är så viktigt att ha en relativt platt vridmomentkurva för motorn över ett så brett varvtalsintervall som möjligt. Om motorns vridmoment sjunker kraftigt, eller har märkbara dalar på grund av val av kammar, intagskammar eller avgassystem, blir det svårare att undvika dalar i dragkraftskurvan med hjälp av val av utväxlingsförhållande. Denna process visar också hur den vanliga metoden att värdera motorer efter topphästkrafter är relativt oviktig.
En enklare metod
Men det finns ett billigare och enklare sätt att välja utväxlingstal: genom att använda sig av erfarenhet och experimenterande, vilket visas i vårt diagram över enklare metoder. I vårt exempel kommer endast tre växlingsalternativ att beaktas, och vi kommer att säga att banan endast har fyra stora raksträckor. Även om detta är en begränsad övning kan vi ändå studera kompromisserna i all oändlighet utan att nå den optimala lösningen, vilket är anledningen till att proffsen vill ha en snabbväxlad växellåda med många alternativ i varje växel.
Det går direkt att se att det breda utväxlingsalternativet är ”överutrustat” för den här banans topphastighet och att det också har en stor varvtalsminskning mellan andra och tredje växeln. (Ju snabbare du kör, desto närmare vill du att växelförhållandena ska vara, men det är en annan, mer komplicerad historia). Differentialen 3,07:1 med den nära växellådan höjer andra växeln så mycket att motorn kommer att ”fastna” när den kommer ut ur de långsammaste svängarna – och du vill inte växla ner till första växeln. Detta ger oss ytterligare en anledning att sänka differentialförhållandet 3,07:1. (Kom ihåg att en sänkning av förhållandet ger ett högre tal.)
För att hitta det idealiska valet multiplicerar du slutväxelförhållandet med den högsta tillåtna hastigheten i fjärde växeln (152 mph) och dividerar det med den högsta hastigheten på banan (140 mph). Detta skulle ge ett teoretiskt värde på 3,33 – vilket är tillräckligt nära det närmaste tillgängliga slutväxelförhållandet på 3,36:1. Genom att kombinera denna slutväxel 3,36:1 med en växellåda med nära utväxling får man bara en växlingspunkt på de tre första raksträckorna och två på den sista och längsta raksträckan. Det finns ett ännu enklare sätt att bestämma de korrekta växelförhållandena: Du kan helt enkelt basera ditt beslut enbart på förarens feedback. Säg att du på de flesta raksträckor, eller på de viktigaste, tenderar att ha för högt varvtal eller måste växla upp precis innan du bromsar. I det fallet kanske du vill installera en något högre differentialutväxling (eller en lägre siffra – se semantiken i sidofältet).
Du skulle till och med kunna beräkna hur stor förändring som skulle vara idealisk om du visste hur mycket du övervarvade. Säg att du körde 500 varv per minut över en rekommenderad gräns på 6000 varv per minut. Då skulle du vilja ha ett högre differentialförhållande som var 6000 dividerat med 6500, multiplicerat med ditt befintliga förhållande. Det spelar inte så stor roll om du går till en högre differential på det här sättet eller till en lägre differential och sedan växlar upp tidigare – såvida du inte kan använda din högsta växel, som förmodligen kommer att vara direkt (eller 1:1) och ha något mindre effektförlust i drivlinan. Det finns ett par anledningar till att minimera behovet av växling, bland annat för att minska arbetsbelastningen för föraren och minimera risken för att man missar en växling (med åtföljande fel växel, slitage på delar osv.).
Med mindre växling undviker man också den tiondels sekund eller så av accelerationsförlust som uppstår genom ”stilleståndstid” mellan växlarna. Men låt inte detta övervinna accelerationsvärdet av fler växlar för att hålla motorn i sin vridmomenttopp. Det enkla svaret för att välja de bästa växelförhållandena är att hitta de som gör föraren nöjd, delvis genom att minimera antalet växlingar, men ännu viktigare genom att minimera varvtiderna.
Simpelt metoddiagram
Här är ett enkelt och smutsigt sätt att välja den bästa växelväxlingen för en viss bil från tre alternativ: 3,07:1 slutväxel med en växellåda med bred utväxling, 3,07:1 slutväxel med en växellåda med nära utväxling och 3,36:1 slutväxel med en växellåda med nära utväxling. I vårt exempel antas en redline på 6 000 varv per minut och däck med en diameter på 26 tum. Använd den här formeln för att räkna ut km/h i växlar: (.003) x (varvtal) x (däckdiameter i tum)/(differentialförhållande) x (transmissionsförhållande). Denna matematik ger följande ekvation: 468/(differentialförhållande) x (transmissionsförhållande). (0,003 omvandlar bara tum och minuter till mph.) Om man plottar hastighetsbalkar vid redline i alla fyra växlar för våra olika utväxlingar får man denna spridning:
Välja växellådor:
Alla kugghjulspar i växellådan är alltid i maskopi, men är bara intermittent i kontakt med sina axlar. Passagerarbilarnas växellådor gör denna koppling med friktionsytor som kommer i kontakt först, för att matcha rotationshastigheterna smidigare.
I tävlingsbruk slits dessa synkronisatorer snabbt, eller är benägna att gå sönder mer ögonblickligen. I rena tävlingsväxellådor är växlarna växelvis anslutna till huvudaxeln med hjälp av stegvisa kugghjul, även kallade ”hundar”, som är utformade för att mycket snabbt och bestämt koppla in eller gripa tag i nästa växel, en åtgärd som är för hård för vardagskörning. Dessa klackars underhuggningsvinkel och hörnradier är noggrant utformade så att de kan gripa utan att slitas och låsas fast ihop så länge som vridmomentet överförs.
Många förare som har denna typ av växellådor växlar antingen med hjälp av kraftöverföring utan att släppa på gasen, eller så använder de bara kopplingen vid stående starter. Och om de inte är mycket duktiga på det, blir hundarna rundade och som ett resultat kommer de antingen inte att gå in i eller stanna kvar i en växel.
Endera typen av synkronisering underlättas mycket om föraren lär sig att matcha hastigheterna mellan växlarna genom att modulera gaspedalen – genom att släppa gasen en bråkdel av en sekund under uppväxlingen, eller genom att ge en liten knuff under nedväxlingen. Annars kan synkronisatorerna eller klackarna snabbt slitas eller gå sönder, vilket kräver att föraren anpassar hastigheterna ännu närmare – eller kanske till och med håller växelspaken i en växel.
Val av växeltänder
Passagerarbilsväxellådor använder vinkelskurna eller ”spiralskurna” växelkuggtänder för att minska bullret, medan differentialkugghjul har ”hypoidskurna” kuggtänder. (Dessa typer av kugghjul används också för att sänka drivaxelns centrumlinje.) För ökad styrka och effektivitet använder tävlingsbilar dock endast rakt skurna ”spurs”-kugghjul, som i första hand har rullande kontakt på sina ytor, i stället för glidande kontakt.
Kugghjul för autocross
Väljning av växelförhållande är mycket enklare när ditt hastighetsintervall är mycket smalare och mycket lägre. Den lägsta kurvhastigheten för en autocrossare är förmodligen inte ett relevant urvalskriterium här, eftersom du med mycket överskottskapacitet vid lägre hastigheter inte kan använda full kraft under en stor del av kurvan och därför är växelförhållandet relativt oviktigt.
Om du har ett datainsamlingssystem för att registrera din hastighetshistorik är det också användbart att registrera gaspådragspositionen. Eller, om du till och med har en enda datakanal, registrera bara hastigheten när du har öppet gaspådrag. Hastighetssignalen skulle kunna köras via en enkel på/av-knapp på gasreglaget. Låt oss säga att ditt totala hastighetsområde med öppen gas är från 35 till 60 mph – typiska värden för en genomsnittlig autocross, oavsett var den hålls. Då är det möjligt att du kan välja ett differentialförhållande som gör att ett enda växelförhållande i växellådan – oavsett vilket – kan täcka detta område. Som ett resultat av detta kommer du inte att ha en växlingspunkt mitt i en raksträcka.
Praktisk övning
Dags att lägga undan räknestickan och se hur växelförhållandena påverkar varvtiderna. Våra objekt kommer att vara ett par Porsche GT3 Cup-bilar i Grand American Rolex-klassen från Team Sahlen, och övningen kommer att bestå i att jämföra två olika växellådor, en med bred utväxling och en med nära utväxling. Vårt klassrum är Watkins Glen International, och teamets förare Wayne Nonnamaker är dagens professor.
”Sväng 5, mitten av grafen, representerar att man kommer ut ur skosnörena på Watkins Glen och går mot tåen på skosnöret”, konstaterar vår förare. De två översta raderna på utskriften från Pi Researchs datainsamling representerar varvtalen för de två bilarna. ”Den svarta linjen är grafen för bilen med de snävare växlarna och den röda linjen är grafen för de längre växlarna”, förklarar han. ”Du kan se att den stramare växellådan måste utföra två växlingar på raksträckan, medan den längre växellådan bara måste utföra en växling.” De två mittersta linjerna representerar hastigheten i mph för de två bilarna, med svart för den stramare lådan och rosa för de längre växlarna. ”Den nedersta linjen är skillnaden mellan de två bilarna”, konstaterar Wayne. ”Du kan se på raksträckan att det finns ett par tiondels sekundvinster när kraften väl kommer ner. Du kan också se att den längre växellådan kommer ikapp dramatiskt när den andra växellådan växlas, men vinsten tillbaka är inte tillräcklig för att kompensera för förlusten från att vara utanför effektbandet.” På den här banan och med den här applikationen ger den nära växellådan de snabbare varven, även om det krävs lite mer växling.
”Tänk också på att Porsche GT3 Cup är en motor med en viss toppbelastning”, tillägger Wayne. ”Det betyder att det är viktigt att hålla den i effektbandet. Om du har ett bredare effektband är detta inte lika viktigt. Så när du tittar på hur nära du vill ha dina växlar är bredden på ditt effektband mycket viktig.” Medan växelförhållandena är en del av historien måste man också ta hänsyn till hur mycket missbruk dessa enheter kan ta emot. ”I våra Rolex-bilar kan växellådan växlas så snabbt som du fysiskt kan göra det”, förklarar Wayne om deras Porsche GT3 Cup-bilar. Deras Grand-Am Cup Porsche 996-maskiner, även om de till det yttre liknar varandra, kräver en något känsligare hand. ”I Grand-Am Cup-bilarna måste du vänta en kort stund, annars slipar du växellådan och river upp lådan.” Wayne säger att det är viktigt att titta på den specifika bilen när man diskuterar växelförhållandena. ”Så om du har en Ford Mustang med ett brett effektband och en växellåda som tar en stund att växla, är det förmodligen inte värt att skärpa växelförhållandena”, tillägger han. ”Men om du kör en Integra Type R där växellådan växlar ganska snabbt och bandet är väldigt toppigt, då är det troligen värt att strama upp utväxlingarna.”
Visa kommentarer på GRM-forum
7/16/18 1:16 p.m.
Great article!
1/4/21 9:53 a.
Hur beräknas gränsen för hjulspinnsskjutkraft?
1/4/21 16:32
Du kan också titta på de data som du också kan titta på accelerationen Gs. Om accelerations-Gs sjunker måste du justera din växling.
Du måste logga in för att kunna skriva. Logga in