Effektivaste fordonstransmissionen?

[JohnA]

En ofta återkommande fråga i mina fordonstekniska funderingar är vad som är det effektivaste sättet att koppla ihop förbränningsmotorn med drivhjulet.

De huvudvarianter jag kan komma på är mekanisk, hydraulisk, elektrisk och pneumatisk transmission. Det sistnämnda har jag aldrig hört talas om i praktiska system så jag antar att det är helt uselt.

Med fokus på relativt små och lätta snabbgående fordon, vilken typ av transmission ger den lägsta bränsleförbrukningen utan att offra allt för mycket av fordonets körbarhet? För bästa utnyttjande av motorn är en steglös transmission naturligtvis optimal, men de har ofta större förluster.

För hydraulisk CVT har jag hört siffror på 80-90% verkningsgrad. Kilremsvariator à la snöskoter antar jag rullar trögt, men har någon hört en faktisk siffra? I en lärobok har jag läst att en FAST kilremstransmission kan ha upp till 98%! Kugghjul tål stora krafter. håller en evighet och är det klart vanligaste, men vad jag förstått tappar man ganska mycket effekt på vanliga bilar och MC i växellådan. Tror jag hört att 10% kan försvinna där!

Men varför ser vi då inte kilremväxlar oftare i våra fordon? En rem-CVT i t.ex. en snöskoter eller gammal DAF personbil arbetar med väldigt höga varvtal och då antar jag att friktionsförlusterna blir betydligt större än de 2% jag sett i läroboken. Det är väl helt enkelt så att kilremmen är ganska usel på att överföra stora vridmoment och samtidigt hålla vettig fysisk storlek.

Elektriska transmissioner med en generator som driver en elmotor blir också de ganska stora och tunga. Jag antar också att drivmotorn har svårt att arbeta effektivt inom hela hastighetsregistret. Skulle man inte kunna bygga elektriska momentomvandlare med olika lindningar och poltal som aktiveras beroende på fordonets hastighet? Någon slags asynkronhistoria alltså. Men förluster lär man ändå inte slippa ifrån antar jag.

En motorintresserad kompis i MC-svängen talar om att det finns förvånansvärt mycket kraft att vinna på att byta den ofta förekommande primärtransmissionskedjan till en kuggrem. Detta utan att täta bort växellådsoljan från kuggremmen. Förklaringen ska vara den att en vanlig rullkedja faktiskt går ganska trögt med alla sina små rörliga delar.

Det jag fått för mig vara den absolut effektivaste transmissionen är en torr kuggrem.  -Ingen slirning och inget smörjmedel som ger hydrauliska förluster. Därför funderar jag av och till på hur man skulle kunna bygga en flerstegad växellåda med kuggremmar. Det optimala borde vara att bara ha en enda kuggrem som skiftas mellan flera olika remdrev.

Med elektronisk övervakning av koppling, skiftmekanism och motor borde det gå att uppfinna något hållbart sätt att flytta remmen eller remdreven utan att haverier uppstår t.ex. genom sned anläggning eller dålig remspänning.

Tänk ett drivande drev med en stödfläns på varje sida. På andra sidan finns ett flertal remdrev på rad i allt större storlekar. Mellan dreven finns en brant kona som hjälp för remmen att klättra upp på de större dreven. Sedan behövs en fiffig mekanism som flyttar remmen, det drivande drevet eller blocket med drivna drev i sidled. Det behövs också en mekanism som slakar och spänner kuggremmen.

Om denna grundprincip fungerar skulle det med många olika utväxlingar bli en ganska lång växellåda, men man skulle kanske kunna trä upp de olika drivna dreven på varandra så att ett drev i taget kan skjutas ut över det föregående. På så vis skulle växellådan kunna bli oerhört kompakt! Gäller "bara" att klura ut något fiffigt som slakar remmen och håller den undan när ett större drev skjuts fram (växlar ner) och som tar upp överskottet i remlängd när man växlar upp.

Kilremmar av typen Poly-V sägs ha mindre förluster än vanlig kilrem. De är säkert inte lika effektiva som en kuggrem men i konceptet ovan kanske de skulle vara ett intressant alternativ. Kanske kunde man rent av nyttja remmen som en koppling vid igångsättning och spara en del mekanik. Med många steg i en sådan växellåda behöver man heller inte slira speciellt mycket.

Kanske en enkel hydraulisk momentomvandlare med lock-up kunde vara en bra typ av koppling ihop med kuggremsväxellådan. Momentomvandlarens slirning skulle då bara nyttjas vid igångsättning och ett kort ögonblick vid växling.

[torbjorn]

När folk ondgör sig över förluster i olika slags kraftöverföringar så går det ofta att såga påståendena om dålig verkningsgrad jäms med fotknölarna helt enkelt genom att göra en uppskattning av hur mycket värme som utvecklas i transmissionen.

I en vanlig (manuell) bilväxellåda utvecklas det aldrig någon nämnvärd värme, det kan det däremot göra i en slutväxel av hypoidtyp där ju kuggarna måste glida mot varandra. Det finns goda anledningar till att en del bakhjulsdrivna bilar har haft kylflänsar på slutväxeln!

Momentomvandlaren till en traditionell automatlåda kräver däremot så gott som alltid oljekylare, de verkningsgradssiffror man har hört för en sådan rör sig om 90-95 %.

Remvariatorer av typ snöskoter, DAF eller EU-moppe brukar inte heller utveckla någon nämnvärd värme (förutom då någon okunnig förare försöker sig på att krypköra så att remmen slirar).

Beträffande eltransmissioner så blir de inte alls klumpiga med modern teknik - förbränningsmotorn får då driva en växelströmsgenerator med permanentmagneter och "traktionsmotorerna" är antingen asynkron - eller permanentmagnetiserade synkronmotorer som monteras i drivhjulen. På personbilar kan man ha direktdrift medan tunga fordon och terrängfordon lämpligtvis får en nedväxling i form av planetväxel i hjulnavet. Varvtalsregleringen sker med frekvensomriktare. För några år sedan gjorde VW en konceptbil med eltransmission - en Polo med 3-cylindrig dieselmotor som drev generatorn, och elmotorer i alla fyra hjulen. För att förenkla konstruktionen fick fälgarna fungera som rotor i elmotorerna och statorlindningen fick ta upp den plats som bromsskiva, bromssköld och bromsok annars tar upp. All bromsning utom parkeringsbroms sker med hjälp av elmotorer, omriktare och bromsmotstånd (alltså på precis samma sätt som i t ex pendeltåg och de flesta av Stockholms tunnelbanevagnar). Det skulle naturligtvis vara mycket lätt gjort att komplettera med ett batteri för att få en fullständig hybrid.
På tal om järnvägsfordon så är det rätt intressant att eltransmissionen har varit absolut dominerande i tunga diesellok världen över sedan mer än 60 år vid det här laget. I den dieseldrivna järnvägsvärlden anses växellådor, momentomvandlare och hydrauldrift som något som kanske passar för lätta rälsbussar och växellok men inte när det börjar ställas större krav på verkningsgrad och effekt kontra utrymmesbehov.

[JohnA]

Kortast möjliga väg från bränslet till drivhjulet och effektivast möjliga transmission alltså. Jag tror fortfarande att kuggremmen är det effektivaste man kan hitta när det gäller att åstadkomma fasta utväxlingar. De vanliga kuggdreven smorda med modern lättflytande olja är säkert också bra. Hypoidväxlar ska man tydligen undvika. Hydraulik är förmodligen genom sin natur svårt att få upp verkningsgraden hos, men det kan kanske ändå lämpa sig för t.ex. regenerativ bromsning som komplement till befintliga system.

Kilremsvariatorn är härligt enkel men tycks bara förekomma hos lättare fordon. På den enda snöskoter jag detaljstuderat satt remmen ganska inbyggd utan någon forcerad kylande luftström. På mopederna är remmen mig veterligen helt inkapslad bakom aluminium- eller plastkåpor utan mycket till lufthål. Här är motoreffekten dock liten.

DAF-bilarna på 60-talet (blev Volvo på 70-talet) hade remvariator likt en snöskoter men med dubbla variatorer. Det jag minns av dessa bilar är att varje rem inte var mycket grövre än hos en snöskoter och att transmissionen förde ett sabla ylande oljud. Bilarna var också ganska tunga att knuffa för hand, men det kan förstås lika gärna bero på den låga utväxlingen i viloläge ihop med oljiga kugghjul och slirande kopplingslamell än på remmarnas friktionsförluster.

Men det faktum att inte ens småbilarna idag med ungefär samma vikt och motoreffekt som gamla DAF/Volvo har remvariator borde tyda på något... Men det handlar kanske mer om ljudnivå, serviceintervall och fysiska dimmensioner än om verkningsgrad?

------------

När det kommer till elektriska transmissioner glider tankarna iväg mot likheter mellan olika vitt skilda fysiska fenomen. Storheter som vridmoment och varvtal/hastighet borde ganska väl kunna jämföras med elektrisk ström och spänning. Enligt den analogin borde en switchad spänningsomvandlare/converter i ett elfordon kunna jämföras med en mekanisk växellåda.

Via detta tänkande undrar jag om man kan bygga en kompakt elektromekanisk transmissionsenhet med samma verkan som en kilremsvariator? Den passiva momentomvandlaren i en traditionell automatlåda för personbil borde i viss mån kunna jämföras med en s.k. virvelströmskoppling där roterande magneter drar med sig en tjock skiva av aluminium eller koppar.

I båda fallen handlar det om slirning som utan någon form av stator omöjligt kan ge effekten av ändrad utväxling eller höjning av motorns vridmoment. I automatlådans momentomvandlare brukar det mig veterligen därför finnas en s.k. stator som "tar spjärn" mot växlellådans hölje och i vissa driftfall ger ett förhöjt vridmoment, d.v.s. en nedväxling.

Det jag vill komma fram till är en motsvarande elektrisk enhet. Jag föreställer mig något som i sin grundprincip ser ut som en klassisk elmotor med en stillastående polskoförsedd ankarlindning utanför en rotor. Min fantasimaskin har dock TVÅ rotorer i rad innanför den ganska långa statorn. I parallellen med momentomvandlaren borde statorlindningen kunna utföras som rotorn på en asynkronmotor, d.v.s. som en burlindning med några förhållandevis få och tjocka stavar av koppar eller aluminium förbundna med ringar i ändorna.

Hur det sedan skulle fungera i detalj har jag ännu inga idéer om och det faktum att ingen annan mer fiffig och insatt än jag redan gjort sådana maskiner kända ser jag som en tecken på att idén har vissa brister... Kanske är det effektivare eller åtminstone mer ekonomiskt med den traditionella seriehybriden där en förbränningsmotor driver en generator som driver en elmotor? Min maskin är å andra sidan precis detsamma, förutom att jag vill spara en del vikt och utrymme.

[JohnA]

Mest på skoj: En brutalapproach till minskade transmissionsförluster skulle kunna vara att på en trehjulig MC-bil med drivhjulet bak montera t.ex. tre med kedja/kuggrem sammanlänkande drivhjul på rad i en vridbar sektor. Det minsta hjulet är brett och grovmönstrat för att kunna överföra ett större vridmoment i låga farter. Detta hjul blir ettans växel och monteras längst fram så att man på köpet förbättrar svängradien i låga farter! Hjulet längst bak är stort men smalt och ger den högsta växeln. Endast ett hjul i taget har kontakt med vägen.

Arrangemanget blir löjligt utrymmeskrävande och det behövs dessutom någon form av stödhjul som lyfter upp fordonet medan man "växlar" eftersom två hjul med olika periferihastighet som samtidigt möter vägbanan lär ge en del problem i form av plötsligt ökade friktionsförluster... Alternativt bygger man in separata kopplingar i hjulnaven, frihjul eller en kombination av de båda.

Det blir ett tungt och klumpigt system med tvivelaktiva egenskaper men det borde lösa just kraftöverföringsproblemet på ett väldig effektivt sätt...! Dumma idéer kan ändå vara bra för genom att våga tänka fritt kan man ibland sortera ut något riktigt fiffigt man annars inte skulle kommit på!

Ovanstående dum-koncept har lett fram till en annan idé om ett udda hybridfordon. (forts. följer)

[JohnA]

Forts. från ovanstående dumheter:

Tänk en helt inkapslad tvåhjulig MC liknande en Peraves:
http://www.monotracer.com/

Skippa helt växellådan och koppla ihop bakhjulet med en kuggrem direkt till förbränningsmotorns vevaxel utan någon som helst koppling! Detta kommer fungera perfekt så länge man inte tänkt sänka farten allt för mycket. Till motorns vevaxel kopplar man också en generator på ca 2-5kW.

De små upphissbara stödhjulen förses med direktdrivande elmotorer på 5-10kW vardera som ger en toppfart på 50-60 km/h. Till skillnad mot Peraves görs stödhjulen också mer bärande av fordonets vikt så att de förmår lyfta upp det hysteriskt spinnande bakhjulet i låga farter!

Vips har man en stabil stadshybrid på tre hjul med relativt kort hjulbas som på landsväg blir en snabb supersnål tvåhjulig lutande MC! Sannolikt kan man spara både en skvätt bränsle och några kilo vikt på att slippa växellådan men säkert förloras det mesta på att mekanismen för växling mellan MC-bakhjul och de två små elbakhjulen torde väga en hel del och kräva sitt utrymme någonstans...

Men det är kul att fantisera!
-Och vem vet, en dag kan det kanske komma en verkligt vettig ide?

[torbjorn]

När man nu är inne på elektromekaniska variabla transmissioner så bör man nämna det klassiska Leonard-systemet för varvtalsreglering. Två separatmagnetiserade likströmsmaskiner elektriskt hopkopplade, generatorn drivs med konstant varvtal. Motorns fältlindning matas vanligtvis med konstant spänning, medan generatorns fältlindning matas med spänning som kan varieras från 0 och uppåt och dessutom polvändas. Därmed får man så att säga steglös utväxling mellan generator- och motoraxeln. Det systemet har framför allt använts för att driva valsverk men även för pappersmaskiner och olika slags servosystem (t ex tornriktning på stridsvagnar).
Men det vore naturligtvis intressant om man kunde rationalisera bort en massa järn, koppar och mekaniska detaljer genom att förena hela servosystemet till en enda maskinenhet.

Idag kan man dock göra precis samma sak med permanentmagnetiserade synkronmaskiner och en del kraftelektronik.

[Bo]

Man skall så klart ha en elmotor i varje hjul som fungerar som generator vid inbromsning.

[Kajjsa]

Hydraulik är förmodligen genom sin natur svårt att få upp verkningsgraden hos,

Nja det vet jag inte om jag håller med om. De jättestora hydraulmotorer jag jobbar med har en hydraulmekanisk verkningsgrad på uppåt 98-99%. Det blir även betydligt mindre vikt med hydrauliska system än med växellåda som ska tåla samma krafter, det påverkar ju också bränsleförbrukningen.

De mindre hydraulmotorer som finns på mobila marknaden just nu är det däremot lägre verkningsgrader på, men det beror på att kunderna där vill ha prisoptimerade lösningar - de bryr sig inte lika mycket om verkningsgraden, hellre att grejerna är billiga. Men tekniken finns helt klart för att göra något bra där och jag tror att det kommer framöver.

[Misse]

Opimalt utformad kuggremstransmission till drift av ett litet elfordon har 98 % verkningsgrad. Optimal kedjetransmission har 98,5 %.

Boken jag hade där någon nörd hade testat en massa alternativ brann upp tillsammans med ett stort hus en gång

Variatorremsförlusterna har jag glömt uppgifterna på men är inget jag ser som något alternativ. Där försvinner mycken kraft.
 Har för mig att Fiat kom upp i bortåt 90% verkningsgrad med en metallisk ''variatorrem'' på slutet av 90-talet.

Mången elfordon har normal kuggväxellåda men ingen av de jag kört eller har varit i närheten av har haft variatorlåda..

[Tapio]

Halaj!

Jag vill slå ett slag för den gamla hederliga kättingen, fast jag inte minns verkningsgrad.
På hojsidan (sitter på H-D, Buell och någon udda gamma lglidarKawasaki) har kuggremmen gott rykte. Jag gissar att den är likvärdig eller något bättre än en ny O-ringskedja.
Man kan ta en ny O-ringskedja och böja den stående som en spottkobra och den står kvar!
O-ringarna trögar som attan.
Dock tror jag den är sämre än en konventionell kedja. Annars hade varenda racehoj på planeten haft kuggrem.
Kuggremmen glänser med tiden. En riktigt sliten kedja kan lätt stjäla 10%, medan en kuggrem behåller sin verkningsgrad till den är slut.

En bra kuggtransmission har 1% förluster. Gäller rak evolventkugg. Snedkugg kan överföra mer moment, men har mer förluster.

Från när jag jobbade på Getrag vill jag minnas att en hypoidväxel har ca 3% förluster.


//T

tillägg: Måste tillägga (såvida det inte uppfattades) att min angivna förlust för hypoidväxlar inte är Getragspecifik, utan en tumregel som gäller hypoidväxlar i alllmänhet.

//T/nojig

[JohnA]

3% förlust på hypoid är ju inte direkt försumbart. 1% på raka kuggväxlar låter rimligt, men jag antar att det förutsätter smörjning i tunn film med ganska blaskig olja och att förlustsiffran växer rejält vid igångsättning en tjurig vintermorgon...

Detta med smörjmedlets förlust borde bli någon slags självreglerande balansgång, för när oljan blir tunnare minskar uppvärmningen? Allt för tunn olja borde öka förlusterna genom att kuggmaterialet börjar gnagas av...

-------------------

Något jag funderat lite mer på efter mina nu ca 800 mil med kolv-amputerad fiatmotor (se separat tråd) är utväxlingens betydelse för att låta motorn arbeta optimalt. Ju färre cylindrar desto smalare effektivt arbetsområde och ökat behov av exak rätt utväxling i givet ögonblick.


Kuggväxeln må vara effektiv i sin grundläggande form, men man får nog addera en tad tomgångsförluster till en ansenlig siffra om man med traditionell teknik ska ha tio växlar. Frågan är om kanske den hydrauliska (hydrostat) steglösa transmissionen eller kilremsvariatorn ändå kan ge kuggväxeln stryk ihop med en fåcylindrig förbränningsmotor?

[Misse]

Så här säger mitt minne om vad som stod i elfordonsböckerna (någon hade testat) som jag hade lånat ut till en kompis vars 30 x 30 meters byggnad brann upp.


Under de allra bästa förutsättningarna så hade:
Kedjetransmission 1,5 % förlust, vid mindre kedjehjul än 20 kugg (cykelkedjehjulsdelningsstorlek) så steg förlusterna betydligt.

Kuggremstransmission 2 % förlust. Lite för spänd rem=betydligt sämre verkningsgrad och en rem som blir varmare och slits. Lite för slak så kuggar den över och dör

Variatortransmission 20 % förlust.

Kommer inte ihåg mer nu..

Tror inte på variatordrift angående snåla fordon. Då hade man sett det någon gång på tex en roadracinghoj/gokart eller en 2takts-racehoj som är massväxlad.
Har dock själv inte så stor erfarenhet av variatordrift, annat än att det går sönder på tex en Daf när man leker.


Men Tjorven jag hade för länge sen var alldeles för slö för att lyckas gå sönder

[Tapio]

och att förlustsiffran växer rejält vid igångsättning en tjurig vintermorgon...

Halaj!

Förlusterna vid kallstart för en kuggväxel är fullständigt försumbara för den totala ekonomin.
Anekdot följer:
När jag jobbade på Volvo PV, AWD-sektionen körde jag en massa snurrebänkprov på det där, med vinkelväxeln, den kardan är fäst i fram.
Vi hade en frysbox stående vid snurrebänken där vi frös ner växlarna över natten.
När vi körde proven var vi två man som jobbade som ett depåteam vid en F1-tävling.
Alla skruvar framme? Check.
Alla verktyg framme? Check.
Funkar snurrebänken? Check.
Är stoppuret nollställt? Check.
OK, all systems are go. Countdown: 3…2…1…GO!
Sådär var vi tvungna att jobba för att efter bara några minuters gångtid var växeln rumsvarm och efter några minuter till driftsvarm.
Att såsa vid uppspänning av provobjektet skulle ha pajat hela testet.

//T

Tillägg: visst är förlusten i växeln hundratals procent högre när kall jämfört med driftsvarm, men som ovan; det avtar blixtfort.

[JohnA]

Jag tror inte heller på kombinationen ultrasnålt fordon och variator med gummirem. Variatorer med stålkulor eller stålkedjor är antagligen bättre och de senare finns ju på moderna bilar, men det är ändå en krångligare teknik än en vanlig kuggväxellåda och jag antar att kuggväxeln är överlägsen när det gäller tålighet mot stora moment och plötsliga överbelastningar.

Att en hydraulisk variator (hydrostat) släpar tungt antar jag är oundvikligt med tanke på att de helt och hållet lever på att ett stort oljeflöde pumpas omkring. Att de sedan experimenterats med på MC och ATV (lär t.o.m. finnas på några kommersiella fordon) betyder ju inte att de har hög verkningsgrad. Samma sak med traktorer och lastmaskiner m.m.

På senare år har det kommit personbilar med olika typer av "racinglådor" som växlar supersnabbt genom att egentligen vara två växellådor parallellt. -Medan den ena växlar gör den andra sig redo.
Men en sådan låda är betydligt mer komplicerad och innehåller massor av kuggdrev som jag antar plaskar omkring i oljan hela tiden även om de inte är i ingrepp.

Tänk så trevligt det vore med en t.ex. tioväxlad låda som blixtsnabbt växlar automatiskt utan att mer än två drev är i rotation samtidigt! Tänk om man istället för att lägga dreven på rad bredvid varandra skulle trä upp dem som två ryska dockor och skjuta ut  det drevpar man behöver för ögonblicket! Alltså skjutbara hylsor med kugghjulsform både på utsidan och insidan. Rakskuret och osynkat som det måste bli torde det inte vara något för dagens smygarbilar...

[pålle]

Jag tror inte heller på kombinationen ultrasnålt fordon och variator med gummirem. Variatorer med stålkulor eller stålkedjor är antagligen bättre och de senare finns ju på moderna bilar, men det är ändå en krångligare teknik än en vanlig kuggväxellåda och jag antar att kuggväxeln är överlägsen när det gäller tålighet mot stora moment och plötsliga överbelastningar.

Att en hydraulisk variator (hydrostat) släpar tungt antar jag är oundvikligt med tanke på att de helt och hållet lever på att ett stort oljeflöde pumpas omkring. Att de sedan experimenterats med på MC och ATV (lär t.o.m. finnas på några kommersiella fordon) betyder ju inte att de har hög verkningsgrad. Samma sak med traktorer och lastmaskiner m.m.

På senare år har det kommit personbilar med olika typer av "racinglådor" som växlar supersnabbt genom att egentligen vara två växellådor parallellt. -Medan den ena växlar gör den andra sig redo.
Men en sådan låda är betydligt mer komplicerad och innehåller massor av kuggdrev som jag antar plaskar omkring i oljan hela tiden även om de inte är i ingrepp.

Tänk så trevligt det vore med en t.ex. tioväxlad låda som blixtsnabbt växlar automatiskt utan att mer än två drev är i rotation samtidigt! Tänk om man istället för att lägga dreven på rad bredvid varandra skulle trä upp dem som två ryska dockor och skjuta ut  det drevpar man behöver för ögonblicket! Alltså skjutbara hylsor med kugghjulsform både på utsidan och insidan. Rakskuret och osynkat som det måste bli torde det inte vara något för dagens smygarbilar...

För att göra det får du ju ha en vinkel växel om du ska ha drevena stående eller har ja fatta dig fel?

[torbjorn]

För att göra det får du ju ha en vinkel växel om du ska ha drevena stående eller har ja fatta dig fel?

Nej, de två axlarna kan ju få peka i vilken riktning som helst, de behöver inte nödvändigtvis stå upp. Även om man gör växellådan på det sättet behövs ju ingen extra vinkelväxel om man väljer en motor med vertikal axel och ser till att vända slutväxeln så att dess ingående axel står vertikalt. Fjädringsrörelserna kan man ta upp med en splineskoppling.
Men det är nog mer praktiskt att hålla axlarna horisontella ändå.

Ett annat sätt att spara en aning tomgångsförluster skulle kunna vara att inte låta kugghjulen gå i oljebad utan låta dem ligga ovanför oljenivån i växellådan och ha en separat oljepump för att smörja kugghjul och lager.