Zeroshift. Автоматизированная Механическая Трансмиссия (АМТ) с плавным переключением передач без разрыва потока мощности.

Аннотация

Технологи Zeroshift (ZS) позволяет механической трансмиссии переключать передачи без временных затрат. Автоматизированная механическая трансмиссия (АМТ) ZS легка в производстве и позволяет быть альтернативой традиционным по экономическим показателям автоматическим трансмиссиям. ZS потенциально улучшает экономию топлива эконома, имея более высокий КПД трансмиссии и лучшие показатели разгона транспортного средства.

Сравнивая с уже имеющимися АМТ, ZS дает возможность беспрерывному ходу передачи крутящего момента от двигателя к транспортному средству с плавным переключением передач. Эта статья является введением к технологии вместе с экспериментальными данными, снятыми с испытуемой машины.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В мире господствуют два вида трансмиссия: механическая трансмиссия (МТ) и автоматическая трансмиссия (АТ). МТ имеет одно сухое сцепление управляемое водителем пока в АТ используются «мокрые» сцепления которые управляются автоматически. Есть мнения «за и против» в отношении обеих трансмиссий.

 

МТ является трансмиссией с наибольшим КПД. И поэтому тут можно говорить о хорошей топливной экономии в транспортных средствах где она установлена. КПД механической трансмиссии зависит от нагрузки. Наиболее типичный ездовой цикл имеет КПД приближающийся к 97%.

 

МТ проста в производстве, так как имеет очень немного составных частей, надежна и проста в обслуживании.

 

Основным недостатком МТ является меньшая простота вождения, чем автомобиля с АТ особенно в плотом транспортном потоке, который требует от водителя использовать сцепление для переключения на каждой передаче. Не всегда переключение передач происходит плавно, что является причиной дискомфорта пассажиров, которые будут извещены о прерывании передачи момента от двигателя к колесам, когда процесс передачи находится между шестернями. В серьезных ситуациях прерывание передачи момента может стать причиной динамической нестабильности транспортного средства и, как результат, потери контроля.

 

В автомобилях с АТ имеется множество преимуществ в числе которых простота вождения и очень плавные переключения. Выбор передачи определяется блоком управления трансмиссией и это гарантирует, что наилучшая передача будет выбрана для соответствующей скорости ТС на дороге зависящей от того выберет ли водитель топливную экономичность или высокую мощность. Водители готовы платить более высокую цену за этот тип трансмиссий хотя рабочая характеристика и топливная экономичность уступают машинам с МТ.

 

Ухудшение рабочих характеристик и топливной экономичности очевидно происходит по причине низкого КПД автоматической трансмиссии. Не только паразитная мощность принимается во внимание при работе гидронасоса, но и значительные буксования в гидротрансформаторе порождают тепловые потери, из-за которых часть энергии, передающейся к колесам, уходит на нагрев масла. В недавние годы применение блокировки гидротрансформатора на большую часть поездки позволила значительно улучшить КПД. Для наиболее типичного ездового цикла КПД автоматической трансмиссии достигает как максимум 86%.

 

Если трансмиссия может иметь преимущества обеих МТ и АТ и не иметь недостатком ни той ни другой, это позволяет говорить о введении третьего варианта трансмиссий на рынке. Обычно АМТ сравнивалась с МТ по топливной экономичности но обладала худшими рабочими характеристиками(в сравнении с МТ) и худшим качеством переключения. Zeroshift устранила эти две проблемы, позволив иметь одновременно неплохую топливную экономичность, рабочие характеристики и качество переключения. Комбинацию всего этого ни на какой либо трансмиссии не приходилось наблюдать.

 

Эта статья разделена на следующие разделы: во-первых, ознакомление с концептом Zeroshift, во-вторых, преимущества в топливной экономичности, рабочим характеристикам, качеству переключения и простоте производства. В заключении, описание измененного Форд Мустнаг.

 

Концепт Zeroshift

 

Концепт Zeroshift не имеет элементов синхронизации как в механической трансмиссии, которые заменены на кольца Zeroshift (рис.1) Синхронизация происходит внешне с помощью крутящего момента от блока управления двигателем и автоматизированным сцеплением (в стандартной комплектации АМТ).

 

Кольца Zeroshift работают в паре как муфта с зацеплением в виде собачки. Нежелательный зазор существующий в трансмиссиях с зацеплением в виде собачки устраняется разделением зуба собачки на две части. Первое кольцо Zeroshift зацепляется с ведущей шестерней в то время как второе кольцо подводится вслед за первым устраняя зазор.

 

Каждое кольцо двустороннее, причем одна сторона может вращаться только в одном направлении, а противоположенная в другом. Когда одно с кольцо спарено с другим – они оба передают вращение напрямую или ПОД УГЛОМ в зависимости от направления движения транспортного средства.

 

 

Рис. 1 Два кольца ZeroShift между двумя шестернями.

 

Когда начинается переключение из нейтрали, одно ведущее колесо зацепляется с зубчатыми зацепами на шестерне и второе кольцо примыкает к, находящемуся в соседстве, первому кольцу, которое вращается в противоположенном направлении, препятствуя разносу двигателя, и, что более важно, устраняет существующий зазор. Это кольцо не нагружается и совершает следующее переключение, требующее небольшой силы на его совершение, то есть много меньше, чем усилие в синхронизаторе (порядка 0,04 части).

 

рис.2 Нейтральное положение.

 

Понять движения колец будет проще, если взглянуть на разнесенный вид, рисунок 2. Каждая пара колец имеет три пары «бойков». Здесь изображена лишь одна пара бойков в целях наглядности. На одной стороне бойка сделан стопорный угол недопускающий вращения до тех пор пока на противоположенной стороне поверхность скоса выйдет из зацепления.

 

рис.3 Ввод в зацепление первого кольца и устранение зазора на 1-ой шестерне.

 

Исключительная способность Zeroshift состоит в возможности менять передачу без затрат времени, как электронное переключение. На рисунке 3 видно, как переключением синего кольца с бойками и вилкой переключения передача момента осуществляется через 1-ую шестерню. Зазор выбирается переключением красного кольца, рис. 4

 

рис.4 Первая шестерня в зацеплении.

 

Осуществление переключения Zeroshift, пока еще передача момента осуществляется на 1-ую шестерню через синее кольцо, ненагруженное красное кольцо может быть перемещено ко 2-ой шестерне (рис.5)

 

Так как 2-ая шестерня вращается быстрее, то она обгоняет 1-ую шестерню и передает вращение на красное кольцо, позволяя передаваться крутящему моменту. И ни на единицу времени момент от двигателя не прервался в ходе передачи его колесам.

 

рис.5 2-ая шестерня обгоняет 1-ую шестерню.

 

Переключение передачи завершено когда исходное синее кольцо немного нагружено первой шестерней и уже готово к зацеплению со второй шестерней для выбора зазора (рис.6).

 

рис.6 2-ая шестерня в зацеплении.

 

Концепт может широко применятся не только по причине увеличения характеристик разгона, но и лучшей топливной экономичности и качества переключения.

 

Мгновенное переключение является определением передачи крутящего момента от одной шестерни к другой. Это создает пик(импульс) момента или энергии в трансмиссии который рассеивается через комбинацию систем управления двигателем и трансмиссии, сцеплением и систему податливости. В итоге имеем непрерывную передачу крутящего момента и нетронутую стабильность транспортного средства.

 

Преимущества Zeroshift

Основными преимуществами Zeroshift являются:

• топливная экономичность
• высокий КПД
• качество переключения
• простота производства

 

ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ

 

Топливная экономичность транспортного средства зависит от многих компонентов, включая саму силовую установку. Два основных компонента силовой установки, которые определяют топливную экономичность это двигатель и трансмиссия. Более чем одна компания обосновала, что уменьшение CO₂ в два раза экономично эффективнее при усовершенствовании трансмиссии, чем при улучшении двигателя. Причем при развитии технологий, стоимость дополнительного производства которой для двигателя в дважды больше, чем для трансмиссии, при получении одинаковых значений в топливной экономии. Следовательно, исходя из методов усовершенствования и стоимости производства улучшение топливной экономичности следует вести методом модернизации трансмиссии.

 

На сегодняшний день, МТ обеспечивают лучшую топливную экономичность, чем АТ. Технология о которой говорится в данном случае имеет еще более лучшие топливно-экономические показатели чем даже МТ. Топливная экономичность в меньшей мере является следствием качества зацепления в трансмиссии, нежели того, что в МТ переключение передач происходит согласно режиму. При езде АМТ способна переключится на более высокую передачу раньше, в то время как МТ будет оставаться в работе согласно режиму. Эксплуатации АМТ с автоматической опцией более экономично, чем автомобиля с МТ, что происходить по той же причине. Конечно, маловероятным является то, что водитель всегда будет находится на лучшей передаче в всех ситуациях. На скоростных автострадах АМТ не будет лучше МТ. АМТ может показать себя незначительно хуже, когда паразитная мощность постоянно участвует в управлении гидронасоса.

 

Zeroshift это АМТ, которая не имеет значительной паразитной мощности при работе. Небольшая мощность требуется для в ходе переключения передач. Тут нет гидравлического привода и поэтому соответственно нет паразитной мощности. Как привод переключения шестерен так и привод сцепления управляется электромехнически, питаясь от стандартной 12В сети транспортного средсва.

 

Является трудностью сравнить различные типы трансмиссий такие как бесступенчатая трансмиссия и трансмиссию с технологией двойного сцепления параллельно с различными видами транспортных средств. Что в итоге может привести к вводящим в заблуждение результатам. Изучив данные можно взять среднее число произведенных транспортных средств и взглянув на относительную топливную экономичность каждого типа трансмиссии в сравнении с МТ мы получим следующие результаты. Табл.1

 

Трансмиссия	Т.Э. относительно МТ
4 или 5 скоростей АТ	-11%
6 или 7 скоростей АТ	- 5%
Бесступенчатая	-7%
С двойным сцеплением	-4%
МТ	0%
Zeroshift (условно)	2%

Табл.1 Топливная экономичность трансмиссий в сравнении с мехнической

 

Худшая ТЭ у 4 или 5 скоростного автомата, в среднем на 11% хуже чем у МТ. И лучшая у Zeroshift: на 2% лучше МТ.

 

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

В отличии от МТ Zeroshift позволяет переключать передачи без временных потерь. Это имеет непосредственное преимущество, так как машина никогда не едет накатом, находясь при этом в нейтрали. Каждое переключение, сделанное правильно водителем, занимает приблизительно 0,5 секунды, при этом технология Zeroshift позволяет полностью выполнить тоже самое без затрат времени. (рис.7) Но большинство водителей-непрофессионалов как правило могут совершать переключение передач с затратой времени более чем в 1 секунду.

 

рис.7 Характеристика разгона zeroshift и МТ

 

Для среднего автомобиля, оснащенного МТ, необходимо выполнять одно переключение передачи в течении разгона от 0 до 62 миль/ч начиная с 1-ой передачи и закнчивая 2-ой. Технология Zeroshift дает возможность развить скорость быстрее примерно на 0.5 секунды, чем водитель-профессионал.

 

Как и до этого, говоря о том, что есть сложность в непосредственном сравнении различных типов трансмиссий, так как результат может оказаться недостоверным и изучив данные по всем типа трансмиссий мы взяли средние значения для все выпускающихся типов транспортных средств. Результаты сравнения ускорений каждого типа трансмиссий с МТ занесены в табл.2

 

Худшее ускорение имеет 4 или 5 скоростной автомат характеристикой на 12% хуже. Наилучший результат имеет Zeroshift, имея показатели на 5% превосходящие МТ.

Трансмиссия	Ускорение относительно МТ
4 или 5 скоростей АТ	-11%
6 или 7 скоростей АТ	- 5%
Бесступенчатая	-7%
С двойным сцеплением	-4%
МТ	0%
Zeroshift (условно)	2%

 

табл.2 ускорения транспортных средств с различными видами трансмиссий в сравнении с МТ

 

КАЧЕСТВО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

 

Качество переключения может быть оценено несколькими способами, иногда объективно и многих случаях субъективно. Мы рассматриваем длительный разгон транспортного средства, которой можно оценить как объективно, так и субъективно. Объективно транспортное средство может быть оснащено приборами для измерения в процессе разгона, который покажут моменты ускорения и замедления в течении переключения передач. На рисунке 8 видно, что в процессе переключения передачи вверх в МТ передача крутящего момента прерывается. Этот процесс изображают на рисунке уменьшение ускорения в момент переключения. Субъективная оценка может быть дана пассажирами не только по наблюдениям продольного колебания в момент переключения, но и просто по тому, что их головы в этот момент тоже покачнутся. В легкой форме это создает лишь дискомфорт ощущаемый пассажирами. В более серьезной форме это может вести к нестабильности автомобиля, особенно при движении на повороте. АТ в меньшей степени предрасположена к этому явлению, так как колебание момента в процессе переключения передачи менее скачкообразно.

 

Механическая коробка. Переключение передач с 1 на 2 при 2500 об/мин.

Ford Mustang 4л.

 

рис. 8 Переключение передачи в механической трансмиссии.

 

При повышении передачи на транспортном средстве оснащенной Zeroshift передача крутящего момента не прерывается. рис. 9. Здесь видно почти ровную прямую ускорения в момент переключения. Субъективно это переключение остается незамеченным пассажирами и не создает колебания транспортного средства и стабильность движения сохраняется.

 

Zeroshift. Переключение с 1-ой на 2-ую передачи на 2500 об/мин.

Ford Mustang 4.0л

 

рис. 9 Переключение передачи в трансмиссии Zeroshift

 

ПРОСТОТА ПРОИЗВОДСТВА

 

Материалы используемы для изготовления всех компонентов соответствуют стандартам производства и не требуют нестандартной обработки. Производственные методы тоже обычны, это ковка, отжиг, штамповка и литье с последующей чистовой обработкой. Сравнительная стоимость каждого из компонентов Zeroshift замещающих компоненты стандартной синхронизированной коробки передач уменьшается только из-за меньшего числа деталей. XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXx

 

Сборочная единица Zeroshift может комплектоваться XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXx Для постоянной передачи момента, независимая вилка управления управляется используя два привода через ступицу, но силы переключения значительно меньше, чем в равнозначной трансмиссии с синхронизаторами и размеры привода также много меньше аналогов в АМТ.

 

Является сложным сравнение различных типов трансмиссий, так как результаты могут быть неточны по причине большого количества этих типов. Сравнивая теоретическую стоимость производства существующих трансмиссий с соответствующими объемами производств на сайт Greenfield получили следующую оценочную стоимость, представленную в табл.3

 

Трансмиссия	Ускорение относительно МТ
6 скоростная АТ	170%
Бесступенчатая	170%
С двойным сцеплением	180%
5 скоростная МТ	100%
6 скоростная МТ	110%
Zeroshift (5 скорост. АМТ)	125%

табл.3 Стоимость производства трансмиссии в сравнении с 5 ступенчатой МТ.

 

Наиболее дорогой трансмиссией является Бесступенчатая, стоимость которой на 80% больше чем 5 ступенчатой механической трансмиссии. Самая дешевая автоматическая трансмиссия – Zeroshift, являющаяся автоматизированной и по стоимости всего на 25% дороже чем 5 ступенчатая механич. трансмиссия.

 

ИСПЫТАНИЯ.

 

Ford Mustang был модернизирован новыми узлами Zeroshift, и с его испытаний было получены экспериментальные даны для этой статьи, рис. 10. Существующая трансмиссия Tremec T5 была изменена. Синхронизаторы был заменены на кольца Zeroshift. Кольца имели независимые приводы с использованием соленоидов.

рис.10 Испытательный образец Zeroshift.

 

Блок дистанционного управления сцеплением регулирует изменение скорости в сцеплении в момент переключения передачи, позволяя отслеживать скачки энергии получая данные для сравнения соответствий нормальным условиям управления.

 

ВЫВОДЫ

 

Продемонстрированная механическая трансмиссия Zeroshift имеет следующие преимущества:

 

• Автоматическое переключение передач
• Улучшение топливной экономичности в сравнении с автоматической трансмиссией.
• Улучшение характеристики ускорений в сравнении с механической трансмиссией.
• Улучшение качества переключение передач в сравнении с механической трансмиссией.
• Простота произовдства.