O cutie de viteze este un dispozitiv mecanic și adesea mecatronic pe vehiculele recente, făcând posibilă adaptarea transmisiei unei mișcări între un arbore motor și un arbore receptor. Utilizat în contexte multiple ( mașină-unealtă , autovehicul terestru etc. ), cel mai frecvent caz de utilizare este transmiterea puterii unui motor prin adaptarea cuplului motorului la nevoile arborelui receptorului.
Conceptul de cutie de viteze este cunoscut și utilizat în special de șoferii de automobile termice, chiar dacă nu toate vehiculele sunt echipate cu o cutie de viteze.
Prin creșterea raportului de transmisie, piesele antrenate se rotesc mai puțin rapid decât axa motorului, ceea ce are ca efect multiplicarea cuplului transmis acestor părți.
Oferind mai mulți coeficienți de reducere (sau raport de transmisie), numiți rapoarte de transmisie, cutia de viteze este astfel elementul central care se adaptează într-un mod foarte variabil în funcție de diferitele situații dinamice , pentru a depăși rezistența la mișcarea înainte la pornire. Sau progresul (variază în funcție de condițiile de conducere) ale vehiculului.
Deoarece majoritatea cutiilor de viteze sunt raporturi discrete , utilizarea angrenajelor pentru a asigura rapoartele diferite a devenit cea mai eficientă soluție.
În multe aplicații, puterea unui motor primar este asigurată de câteva forțe și la o viteză de rotație neadecvată pentru funcționarea sistemului de recepție; o adaptare a cuplului și a vitezei de rotație este, prin urmare, necesară pentru a face cea mai bună utilizare a performanței acestei mașini în funcție de condițiile de utilizare a acesteia (prin scăderea vitezei de rotație și creșterea cuplului transmis, sau mai rar, prin ridicarea vitezei și scăderea cuplului transmis). Mașini industriale cu motoare electrice asincrone , cum ar fi un strung , de exemplu, frecvența de rotație a , care este legată de frecvența de rețea , prin urmare , nu fac posibilă obținerea mai multe viteze de funcționare , fără o cutie de viteze.
Fără îndoială, această aplicație, care datează de la revoluția industrială , a dat acest nume dispozitivului. Este legat de primele mașini industriale care au primit energie de acționare de la un arbore comun al motorului, acționat de o moară de apă sau de un motor cu aburi care se rotește la viteză constantă. Sistemele cu pinion sau scripete permiteau alegerea unei viteze de funcționare. Arborele motorului s-a rotit cu o viteză aproape constantă atâta timp cât cuplul solicitat a rămas mai mic decât cel disponibil.
În cazul vehiculelor, există, în general, o nepotrivire între cuplul furnizat și cuplul necesar roții pentru a depăși rezistențele de inerție; cutia de viteze face posibilă depășirea acestui dezavantaj. Cuplul, de exemplu, pe care un ciclist îl exercită asupra pedalelor bicicletei sale este suficient pentru a circula pe un teren plan. Dar când se apropie de un deal, cuplul de rezistență la roată crește. Schimbătorul (sau butucii cu roți dințate integrate pe modele high-end) , apoi face posibilă creșterea cuplului la roata în detrimentul vitezei de rotație, trecând lanțul de la un pinion casetă la altul mai înalt.
Același principiu este utilizat și în automobilele în care cuplul furnizat de motorul termic , adesea limitat și variabil într-un interval limitat de viteze de rotație, nu face posibilă gestionarea diferitelor condiții de conducere ale vehiculului (pornire, accelerație, conducere, rulare . înapoi etc. ). Cutia de viteze oferă posibilitatea de a mări cuplul disponibil la motorul osiei, angrenajele reductoare sunt cea mai comună modalitate de a realiza această funcție. Cutia are:
Louis Renault, mare inventator și antreprenor al industriei auto franceze, a brevetat cutia de viteze cu transmisie directă în 1898.
Cel mai frecvent caz de utilizare a unei cutii de viteze este transmiterea puterii motorului termic al unui vehicul cu cuplul și turația de rotație adaptată situației (cuplu mare cu turație redusă sau invers). Cutiile de viteze utilizate în acest caz diferă în funcție de tehnologia reductoarelor lor ( angrenaje , tren epiciclic , lanț sau curea ) și sistemul lor de comandă (manual, pilotat / robotizat, secvențial sau automat).
În general, distingem între casete în funcție de:
Cele mai utilizate cutii de viteze manuale din aceste zile constau în general din doi arbori paraleli numiți arborele primar (arborele de intrare legat de arborele cotit de ambreiaj ) și arborele secundar (arborele de ieșire al cutiei de viteze) care transportă angrenajele și angrenajele de mers în gol. În plus față de angrenajele de ralanti, arborele secundar transportă și sistemele de ambreiaj și sincronizatoarele , dispozitive plasate pe dispozitive portabile, acționate de furcile comenzilor legate de pârghia de viteze, care pot aluneca pe canelurile arborelui.
Principiul unei cutii de viteze manuale se bazează pe alegerea mai multor perechi de pinioane (sau angrenaje ) de diferite diametre, oferind astfel rapoarte de transmisie diferite . Fiecare pereche este formată dintr-un pinion fixat pe arborele primar și un pinion inactiv, în conexiune pivotantă cu arborele secundar prin intermediul rulmenților . Un raport este angajat atunci când unul dintre angrenajele de ralanti devine solid cu arborele secundar. În acest timp, ceilalți pinioane se răsucesc liber, de unde termenul „pinion inactiv” și nu transmit niciun cuplu.
Sincronizare și ambreiajManevra de integrare a pinionului liber cu arborele de ieșire este asigurată de deplasarea orizontală a glisierului pe canelurile arborelui - glisorul este deci într- o conexiune glisantă -, care are ca scop cuplarea câinelui și a pinionului corespunzător prin mijloace dinților mici; acești dinți, numiți „dinți de câine” sau „câini”, pot fi frontali (crenelații) sau periferici (caneluri). Formele complementare ale celor două elemente care au devenit interdependente asigură astfel transmiterea puterii.
Pe cutiile de viteze sincronizate, pe lângă câini, este instalat un sincronizator care, așa cum sugerează și numele său, permite, înainte de ambreiaj, să sincronizeze viteza de rotație a pinionului cu cea a pinionului cu care devine integrală în timpul ambreiajului. angajarea noului raport selectat. Într-adevăr, la pornirea sau schimbarea de la o treaptă de viteză la alta, viteza relativă dintre cei doi arbori nu este zero, ceea ce complică cuplarea dinților ciocanului. Prin punerea în contact a suprafețelor de frecare legate, pe de o parte, cu sincronizatorul și, pe de altă parte, cu angrenajul de ralanti, sincronizatorul anulează această viteză relativă și asigură o schimbare a vitezei fără efort sau zgomot.
Caracteristici speciale: treapta de mers înapoi și acționare directăAcest tip de cutie adoptă, în general, roți dințate elicoidale . De fapt, acestea sunt mai silențioase, deoarece dinții cuplați sunt mai numeroși și, prin urmare, fiecare suferă o sarcină mai mică decât pinionii cu dinți drepți. Pe de altă parte, aceste roți dințate provoacă o forță axială care necesită utilizarea rulmenților corespunzători și o întărire a lagărelor . De asemenea, din acest motiv, viteza de mers înapoi se obține cu pinioane cu dinți drepți și emite un zgomot atât de caracteristic în timpul utilizării. Această alegere este impusă chiar de principiul mersului înapoi; de fapt, pentru a inversa direcția de rotație a roților și, prin urmare, a arborelui secundar, este necesar să se implice o a treia treaptă de viteză într-o pereche de pinioane. Acest pinion este deplasat axial pentru a se încadra între un pinion al arborelui primar și un pinion al arborelui secundar. Dacă marșarierul ar fi fost dințat elicoidal, nu ar fi fost posibil să-l introduceți sau să-l mențineți cuplat din cauza forței axiale.
Anumite cutii de viteze, în special cutii de viteze longitudinale, au și un al treilea arbore, numit „angrenaj fix” sau „arbore intermediar”, care face posibilă amplasarea arborilor primari și secundari nu mai paraleli, ci în linie. Apoi este posibil să le cuplați direct pentru a obține ceea ce se numește o acționare directă pentru a beneficia de o eficiență mai mare a transmisiei: unul dintre baladeur face ca arborele primar să fie solid cu arborele secundar. Din punct de vedere istoric, acționarea directă era în mod tradițional a treia sau a patra (și ultima) treaptă de viteză înainte, numită astfel deoarece corespundea unui raport de transmisie zero (raportul 1: 1 între arbori). În zilele noastre, ultima treaptă de viteză este adesea ceea ce se numea cândva „overdrive”, adică cu un raport de transmisie mai mare de 1 (arborele de ieșire al cutiei de viteze se rotește mai repede decât cutia de viteze). Arborele primar). Deoarece motorul nu trebuie să rămână la turații mari pentru viteze mari pe un teren favorabil, acest lucru contribuie la reducerea consumului de combustibil.
Cutie de gheare și cutie walkmanSpre deosebire de o cutie de viteze cu angrenaje paralele, cutiile de viteze pentru câini și cutiile portabile sunt cutii de viteze manuale nesincronizate. Dacă arhitectura generală rămâne aceeași, rapoartele sunt angajate diferit.
În cazul unei cutii de jucători, nici o treaptă nu este, în neutru, în contact; un raport este angajat prin potrivirea dinților respectivi ai unei perechi de unelte. Pinionul de primire (purtat de canelurile arborelui secundar) este, prin urmare, deplasat axial prin furcile de selecție. Prin urmare, cutiile de viteze necesită utilizarea unor roți dințate drepte , furcile neputând rezista la o forță axială fără uzură prematură. Pentru camioane, funcționarea acestuia poate prezenta uneori o dificultate de angajare, deoarece niciun sistem de sincronizare nu face posibilă facilitarea sarcinii. Succesul schimbării vitezelor depinde astfel numai de abilitatea șoferului și de capacitatea acestuia de a stăpâni tehnici de conducere, cum ar fi dubla decuplare sau dublă pedalare .
Cutia de ambreiaj este utilizată covârșitor pentru motociclete și numai în competiția pentru mașini (în special în raliu ). Acest tip de cutie de viteze are capacitatea de a permite deplasarea în sus fără decuplarea ambreiajului, cu condiția opririi temporare a forței motrice prin întreruperea gazului sau a contactului, permițând astfel obținerea unei performanțe și a unei siguranțe mai bune. motocicleta rămâne strânsă ferm. O cutie de ambreiaj nu are sincronizatoare, ci dinți de o anumită formă destinată ambreiajului: acestea sunt blocuri de "acoperiș" cu mult joc pentru a facilita angajarea.
Există două tipuri de sisteme:
bazat pe o cutie de viteze mecanică clasică echipat cu servo-motoare electrice care acționează ambreiajul (single-disc uscat clasic), schimbători de viteze, accelerație, precum și un sistem de control electronic. Aceste cutii de viteze sunt denumite de PSA , utilizatorul principal, „BMP”, pentru „cutie de viteze mecanică pilotată” sau chiar „Sensodrive” pentru Citroën C3 și C2 , primele mașini de producție care apar cu acest dispozitiv care funcționează fie în modul automat, fie în modul secvențial (schimbarea vitezei prin palete sau pârghie decisă de șofer). Cu toate acestea, acest tip de transmisie, care este ieftin, are dezavantajul, ca orice cutie de viteze manuală convențională, de a determina vehiculul să înceteze să conducă în timpul schimbării vitezelor, deci sacadează, și uneori este foarte lent să reacționeze la schimbarea vitezelor. „sărind” mai multe rapoarte. cutii robotice cu ambreiaj dublu cutii robotizate cu doi arbori de reducere paraleli, fiecare activat de un ambreiaj separat. Pe acest tip de cutie de viteze, la schimbarea treptelor de viteză, cele două ambreiaje se deplasează simultan, una în decuplare, cealaltă în ambreiaj, ceea ce nu provoacă oprirea tracțiunii și face ca schimbarea treptelor de viteză să fie cu ușurință vizibilă (nu sau puțin smucită). Acest tip de cutie de viteze, mult mai scumpă decât BMP, este foarte rapidă în acțiuni și se comportă, de asemenea, fie în modul automat - singura electronică decide apoi cea mai potrivită treaptă de viteză pentru condițiile de conducere și momentul cel mai oportun pentru schimbare. raportare sau retrogradare în alt mod - fie în modul secvențial, caz în care șoferul decide să schimbe vitezele folosind butoane, palete sau pârghie (cu condiția totuși să fie îndeplinite condițiile ad hoc pentru a evita supra sau sub dietă).O cutie de viteze secvențială este o cutie de viteze cu angrenaje paralele, al cărei sistem de selecție este asigurat de un disc sau un butoi, o parte circulară pe care sunt prelucrate caneluri pentru a ghida mișcarea furcilor. Acest sistem înseamnă că șoferul nu poate sări una sau mai multe trepte, ci doar să treacă la următoarea treaptă superioară sau inferioară decât cea cuplată. Acest tip de cutie de viteze a fost folosit de mult timp în motociclete, precum și astăzi în multe mașini de curse. Controlul se face printr-o manetă selectoră acționată de picior (motocicletă) sau de mâna din mașină. Unele motociclete pot fi echipate cu un schimbător de viteze care este o bijuterie tehnologică care permite schimbarea treptelor de viteză din mers, fără a sparge cutia de viteze și care poate economisi sutimi prețioase. Multe mașini de competiție oferă să o facă manual prin intermediul unui automat mecanic sau electro-hidraulic, cum ar fi cutiile robotizate, pentru a simplifica controlul. Acest sistem își propune să reducă durata schimbărilor de treaptă, dar nu permite sări peste una sau mai multe trepte de viteză.
O cutie de viteze automată are un sistem capabil să determine independent cel mai bun raport de transmisie. Numai acest tip de cutie de viteze determină raportul de transmisie corect datorită informațiilor precum cuplul și turația motorului, depresiunea pedalei de accelerație, viteza vehiculului, modul de funcționare al cutiei de viteze., Cuplul rezistent al vehiculului și altele funcții mai complexe care depind de nivelul tehnologic al cutiei de viteze automate. Ambreiajul este în general automat și, prin urmare, nu necesită o pedală de ambreiaj.
Limitată mult timp la trei (sau chiar două) trepte de viteză până în anii 1970, apoi la patru trepte de viteză până la mijlocul anilor '90, transmisiile automate sunt acum disponibile în configurații cuprinse între șase și unsprezece trepte, deși , ca regulă generală, sunt transmisiile cu șapte sau opt rapoarte care sunt apreciate .
La modelele mai vechi cu trei trepte, faimosul indicator PRNDSL pentru cele șase poziții selector standard a fost găsit în America de Nord : P (arcă) pentru cutia de viteze parcare, R (inversă) pentru mers înapoi, N (eutral) pentru neutru, D (țărm) pentru treapta de viteză înainte pe cele trei trepte de viteză, S (econd) pentru funcționarea numai pe primele două trepte de viteză și L (ow) pentru treapta de viteză obligatorie .
În Europa, unde S și L nu corespund termenilor corecți în toate limbile, am găsit P, R, N, D, 2, 1 . Restul lumii a adoptat treptat această notație în anii 1970. Până la începutul anilor 1980, însă, D a fost înlocuit cu A (utomatic) pe mașinile franceze vândute în Franța.
Odată cu sosirea cutiilor de viteze cu patru trepte , ratingul P, R, N, D, 3, 2, 1 s-a impus destul de natural în întreaga lume. În prezent, găsim P, R, N, D și o poziție suplimentară desemnată de obicei M (anual) sau +/- pentru selectarea manuală a uneltelor.
P | Parcare |
R | Verso |
NU | Neutru |
D | Redirecţiona |
Deși utilizată încă din anii 1930, General Motors a inaugurat în 1948 producția în serie a transmisiei automate (2 trepte plus invers) cu convertor de cuplu denumită, la Buick , Dynaflow (ro) .
Aceste transmisii automate funcționează permanent sub cuplu, permițând un transfer aproape continuu de putere. Această particularitate este posibilă datorită sistemului său de ambreiaj asigurat, nu printr-un disc de frecare, ci printr-un convertor hidraulic de cuplu care permite alunecarea (echivalent cu alunecarea la schimbarea vitezelor pe o cutie de viteze manuală). În alunecare aproape permanentă, convertorul este, pe de altă parte, elementul la originea performanței slabe a acestui tip de cutie de viteze, astfel încât cutiile de viteze moderne au și un ambreiaj de blocare a convertorului care se cuplează imediat ce arborii de intrare și ieșire sunt suficient de aproape.
Cea mai răspândită constituție a unei cutii de viteze automate este cea a angrenajelor epiciclice în cascadă. Prin asigurarea anumitor părți ale acestor trenuri prin intermediul ambreiajelor sau frânelor , se obțin diferite rapoarte de transmisie. Selectarea unui angrenaj depinde doar de o combinație de comenzi a pistoanelor de comandă. Ca urmare, nu există ambreiaj de condus. O pompă hidraulică de înaltă presiune, integrată în cutia de viteze și acționată direct de motor, este responsabilă pentru furnizarea energiei pentru actuatoarele hidraulice necesare pentru ambreiaje și frâne. Pe sistemele moderne, identice cu o cutie de viteze robotizată, un sistem electro-hidraulic controlat de un computer electronic gestionează schimbarea treptelor.
Cutii de viteze cu ambreiaj dubluÎn cutia de viteze automată cu dublu ambreiaj, schimbarea treptelor de viteză este complet controlată de un computer , care acționează o altă treaptă de viteză numai atunci când viteza de rotație a arborelui de recepție este apropiată de cea a arborelui elicei. Acest lucru limitează uzura ambreiajelor și scuturilor și, prin urmare, dimensiunea ambreiajelor și a angrenajelor care trebuie utilizate.
Sistemul este alcătuit din doi arbori de recepție, fiecare fiind acționat de unul dintre cele două ambreiaje, atunci când se deplasează. Poziția de parcare angrenează simultan cei doi arbori, care blochează cutia de viteze.
Un avantaj al acestui sistem este că acest tip de cutie de viteze transferă frâna motorului ca o cutie de viteze convențională, sau chiar mai ușor, deoarece este suficient să coborâți mai multe trepte de viteză în același timp, care nu vor fi cuplate, una după alta., Doar când turația motorului este în limitele stabilite de producător.
Tot mai multe vehicule de pasageri utilizează principiul unei transmisii CVT variabile continuu pentru transmisie. De acum înainte, electronica de la bord face posibilă gestionarea ecuației eficienței / accelerației / vitezei cât mai bine posibil prin adaptarea constantă a turației motorului în plus față de raportul variatorului. Aceste sisteme reușesc chiar să recreeze rulmenții în anumite condiții de conducere, imitând astfel comportamentul unei cutii de viteze în mai multe etape.
Pentru eficiență maximă și fiabilitate maximă, mecanismele cutiei de viteze necesită ungere.
În cutii de viteze manuale și robotice simple (gestionare electromagnetică), lubrifierea cu un ulei relativ gros se efectuează prin barbotare: angrenajele inferioare se scaldă în ulei și pulverizează uleiul pe toate celelalte părți prin rotație.
Transmisiile automate sau robotice complexe necesită un alt tip de ulei mai fluid și sub presiune pentru a acționa actuatoarele hidraulice. Prin urmare, acestea sunt echipate cu o pompă de ulei care produce un flux de ulei sub presiune, distribuit prin canale către locurile care necesită ungere.
Revenirea la carter se efectuează în toate cazurile prin gravitație .
Căsuța ideală ar fi cea care oferă raportul potrivit pentru fiecare situație. Cu toate acestea, nu putem multiplica rapoartele ad infinitum. Prin urmare, gama de rapoarte oferite trebuie să fie cât mai universală posibil.
Automobil individual Pentru o perioadă lungă de timp limitată la trei viteze, cutia de viteze a automobilului a luat treptat patru, apoi cinci, apoi șase rapoarte, chiar opt la vehicule de ultimă generație, în special hibrizi ( Lexus LS460 de exemplu) sau chiar 11 rapoarte. de camioane au, pentru o lungă perioadă de timp, etape de transmisie în mai mult de zece trepte. Motociclete au de obicei 5 sau 6 viteze chiar dacă am văzut modele de producție cu 7 trepte sau mai multe în competiție. sistem continuu variabil unele vehicule ( Daf în anii 1960 ) aveau un variator care oferea o gamă continuă de rapoarte. În 2020 există vehicule noi de pasageri bazate pe același principiu al „transmisiei variabile continue” (CVT) (a se vedea paragraful de mai sus). În prezent, aceste transmisii automate sunt utilizate în special pe Nissan Micran-CVT (1993 ~ 2002) și Honda Jazz CVT din Europa. Motoare hibride Tipul HSD de la Toyota utilizează o transmisie care folosește un angrenaj epiciclic acționat de motoare electrice, numit și e-CVT.Raportul total de transmisie (cutie de viteze + axă) este un raport între turațiile de rotație ale motorului și roți, dar și (la cea mai apropiată putere) între cuplul motorului și cuplul disponibil la volan.
Motoarele care oferă un cuplu destul de moderat și funcționează corect la turații mari (mii de rotații pe minut), de aceea este necesar să se reducă turația de rotație (sute de rotații pe minut) care va avea ca efect creșterea cuplului la roată, adică forța de tragere a vehiculului.
Majoritatea motoarelor au curbe caracteristice externe (funcționare la sarcină maximă, adică apăsat pe accelerație) care corespund de obicei cu diagrama opusă. Seria de rapoarte disponibile pe o cutie de viteze este optimizată luând în considerare aceste curbe, stabilite pe baza datelor înregistrate pe bancul de testare la viteze de rotație diferite (la fiecare 200 rpm, de exemplu):
dar și caracteristicile vehiculului:
Prima treaptă este utilizată doar pentru ridicarea vehiculului din poziția sa de oprire. Determinarea sa se bazează pe luarea în considerare a unui caz nefavorabil de pornire, și anume vehiculul la sarcină maximă și un gradient de 15%. Astfel determinat de un studiu de mecanică statică , cuplul necesar roții.
Treapta de mers înapoi are, în general, un raport de transmisie puțin mai scurt decât prima treaptă de viteză pe majoritatea cutiilor de viteze, deoarece treapta de marșarier este decalată în cutia de viteze, ceea ce oferă o treaptă de viteză mai scurtă utilă pentru o siguranță de rezervă și pentru a facilita manevrele delicate, spre deosebire de primele cutii de viteze care aveau o treaptă de viteză raport mai lung decât cel al primei trepte de viteză datorită prezenței angrenajului intermediar aliniat cu celelalte trepte de viteză, ceea ce face necesară reducerea diametrului și, prin urmare, a numărului de dinți, a roții dințate pe arborele secundar.
Odată ce vehiculul este în mișcare, pentru a atinge viteza de croazieră sau viteza maximă, accelerația impune o forță propulsivă permanentă. Prin urmare, motorul trebuie să ofere un cuplu maxim. Pentru aceasta, în timpul upshift ( de exemplu 1 st la 2 e ), motorul lăsând regimul de putere maximă trebuie să se încadreze cel puțin pe regimul cuplului maxim. Acest lucru are ca rezultat o eșalonare ideală a raporturilor de transmisie în urma unei secvențe geometrice , motivul pentru care este raportul dintre vitezele la putere maximă și cuplu.
Dacă pickup-ul este sub această valoare, spunem că există o gaură în staționare, adică o gamă de turații a vehiculului pentru care turația motorului este fie prea mare, fie insuficientă. Acesta este cazul cutiilor 2CV , în special între 1 st și 2 e .
Prin urmare, este de preferat ca viteza de ridicare să fie semnificativ mai mare decât cea a cuplului maxim. Acest lucru oferă mai multă flexibilitate în utilizare, dar necesită un număr mai mare de rapoarte.
Ford T Roadster din 1921
Bugatti Napoleon Coupe
Citroën 2 CV din 1960
Citroën DS 21 Pallas Chapron Cabriolet 1968
Cutia de viteze manuală nu se adaptează bine la frânarea de urgență autonomă obligatorie din 2022 în Uniunea Europeană și guvernatorul adaptiv .