Varför har flygplan inte manuell växellåda?

Flygplan har fixade redskap (när de har växlar alls)! Men på ett sätt kan en rörlig propellering betraktas som analog med överföring i en bil och det var manuellt i vissa flygplan.

Den kraft som överförs av propellern är inom ett visst rimligt område proportionellt mot dess rotationshastighet. Och så är det, inom ett visst rimligt område, kraften som produceras av motorn. Så för långsamma plan gör en fast pitch propeller med ansluten med fast växel ett anständigt jobb. När du öppnar gasen ökar motorhastigheten, så gör propellen och det är precis vad det behöver göra för att överföra effekten. Enklare flygplan har inga växlar alls och propellern är monterad direkt på motoraxeln, högre motorer har ofta 2: 1 reduktionsväxel eftersom motorns varvtal skulle vara för hög för en propellern.

Vid högre hastighet minskar den uppenbara propellbanan då luften redan rör sig, så det snurrar snabbare och snabbare och så småningom för snabbt för motorn. För att motverka detta har snabbare propellerdrivna flygplan en rörlig propellrör. När hastigheten ökar sätts den till högre attackvinkel (grovare) så att den fortsätter att leverera ström utan att öka varvtalet.

Tidigare rörliga propellrar hade manuellt styrd räckvidd, men ganska snabbt konstant hastighet propellrar utvecklades (många WWII-flygplan hade dem redan) där en vikt på våren styr propellern så att konstant varvtal bibehålls. De manuellt styrda enheterna krävde mycket uppmärksamhet och systemet med konstant hastighet är ganska enkelt, så manuell överhoppning övergavs snabbt.

Och det är ungefär lika med perfekt variabel växellåda. Piloten har fortfarande en gaspedal och en propellspak och väljar effekt och varvtal oberoende av varandra. Högre varvtal ger högre effekt, men kräver inte det, så landning görs vanligtvis med låg effekt men max varv så att motorn reagerar snabbt om strömmen läggs till (behöver inte spinna upp). Under kryssningen väljas något mer måttligt värde (enligt tillverkarens rekommendation) för att minska motorns slitage.

Turbopropmotorer har alltid propellrar med konstant hastighet, för i turbinmotorn är skillnaden mellan turbinhastigheten vid tomgång och vid full kraft inte så stor. Igen rpm begränsar maximal effekt, så landning görs med låg effekt, men hög varvtal och motorn reagerar snabbt när strömmen läggs till.

Slå turbojet / turbofanmotorerna bara till turbinerna och kompressorerna som de behöver. Det är inte så mycket annorlunda än den fasta propellen, även om jetmotorerna nu vanligtvis har variabla styrskovlar i statorn (som bara är kopplade till varvtal).

Eftersom de flesta flygmotorer inte har överförd överföring alls:

Bildfrån wiki

Effekten överförs direkt från turbinen till kompressorn med en styv axel.

Det är dock sant att vissa motorer har det, särskilt propellmotorer:

Bildfrån ATSB

men du måste inse att det här är en fast växelkvot, ingen växelväxling är inblandad och därmed krävs ingen manuell eller automatisk "överföring".

Vad du kan ha, i "gammal stil" propellmotorer, är olika hävstångar / vred för manifoldtryck / gasreglage, propellerhöjd och blandning.

Vridmoment

Jag misstänker att det verkliga svaret innefattar vridmoment.

Motorns varvtal med fordonets stationära

Flygmotorer har inte eller behöver flera växlar eftersom motorn inte flyttar flygplanet från stillastående genom att använda vridmoment på hjul. Istället kan en flygplansmotor springa med full varvtal medan flygplanet är stationärt vid starten av en landningsbanan.

Om du sätter bilen i högsta kugghjulet (6th?), körde den med högsta varvtal (8000?) och släppte kopplingen, något skulle bryta - i alla fall skulle du brinna kopplingen och krypa långsamt bort. Flygplanmotorer har inte eller behöver en koppling, i sista hand för att de trycker på luft, inte vrider hjul på asfalt.

Växelväxelväxling i vägfordon (bilar, cyklar, etc.) krävs för att matcha hastighets- och vridmomentskapaciteten hos drivmotorn (gasmotor, mänsklig benkraft etc.) till hastighet och vridmomentkrav på vägen hjul över olika förhållanden av fordonshastighet, vägkurs etc. Det finns i princip ett behov (eller åtminstone fördel) för att variera den mekaniska fördelen mellan drivmotor och drivhjul.

Strålkastaren (jet- eller kolvmotor, turbofan eller propeller) i ett flygplan ger en kraft som är i stort sett oberoende av flyghastigheten, så för många flygplan behövs inte växelväxelväxling. För propellflygplan kan det vara fördelaktigt att variera den mekaniska fördelen mellan kraftverket och luftströmmen. Det är gjort, inte genom växelväxelväxling, utan genom att ändra propellerns tonhöjd . För en sak kan varierande tonhöjd variera mekanisk fördel över ett kontinuerligt område där en växellåda är begränsad till några få steg. För en annan lägger växelsystem till stor vikt. Byte av växlar skulle innebära att man kopplade motorn från propellern, eftersom ett annat utväxlingsförhållande valts - det är en stor tillförlitlighet / säkerhetsproblem, och för en kolvmotor kan det inte ens vara möjligt att arbeta. Kolvmotorer kan inte springa utan svänghjul; I ett flygplan fungerar propellern som svänghjulet.

Så, där fördelarna med en variabel mekanisk fördel motiverar den tillförda kostnaden, vikten och komplexiteten, är en variabel propell monterad.

Vissa variabla höjningssystem ger en hävarm som direkt styr höjden - piloten rör spaken över ett intervall mellan "fin" (motorn får mer mekanisk fördel, passar för start) och "grov" (motorn har mindre mekanisk fördel, lämplig för kryssning).

Andra system med variabel tonhöjd ger en hävarm som väljer en RPM för målmotor. Tonreglersystemet justerar kontinuerligt propellerns höjd i ett försök att behålla den valda varvtalet. Piloten använder gasreglaget för att öka eller minska motorns dragkraft och tonreglaget för att optimera motorvarvtalet för driftsförhållandena (avstängning, klättring, kryssning, etc.). På en PA32-300 , skulle t ex pitchkontrollen vara helt framåt (max RPM) för taxi, start och första klättring, men skulle justeras lite tillbaka för kryssning för att minska motorns varvtal (och bränsleförbrukning).

Du kan tänka på de pitchkontrollsystem som jag har beskrivit som analog med en manuell och en automatisk växellåda, men analogi är en lös i bästa fall.

Lite annorlunda svar på den sista. Luftpipmotorer behöver inte mycket vridmoment för att driva genom viskös friktion som motstår bladresan. Det är därför fyrhjulingar arbetar och ändå är mycket lätta.

Enkel jämförelse, tryck mot en vägg och det finns en normal kraft som trycker tillbaka. Vink nu armen i luften. Den enda motståndskraften är en funktion av din armhastighet. Det är liten.

Eftersom de inte behöver använda reduktionsreducering för att öka vridmomentet som andra applikationer behöver de inte växelväxellåda. I själva verket fungerar Bernoulli-effekten på tryck från luftflödet över bladet, så att propellrarna ska spinna så många gånger som möjligt för att få maximal lyftning. Elmotorer för fyrhjulingar roterar till exempel 10000 varv per minut. De styr motorns snurrhastighet genom strypluft och bränsle för turboprop eller pulsbreddsmodulering för elmotorer. Turbiner är luft och bränsle som jag tycker också, men det är inte min expertis.

Flygsimulatorer har inte växlade överföringar eftersom det inte finns riktiga växlar i riktiga plan. Det närmaste som ett plan skulle ha är en variabel tonhöjd.

Med ett fordon med hjul är motorvarvtalet enkelt beräknat som ett förhållande med markhastighet och växling. Det finns inget sådant med ett flygplan.

En annan sak som inte nämns är att i landfordon används växlar långsamt, så att motorn kan stanna inom sitt arbetsområde. Men ett flygplan kommer inte att flyga under en viss lägsta hastighet, så växlarna är ganska meningslösa. I ett typiskt litet plan motsvarar ditt sortiment av flyghastigheter (säg 65-150 mph) ett motorvarvtal på ungefär 1700-2500 rpm. Om du slår tillbaka till tomgång (eller din motor slutar) måste du i grunden glida, handelshöjden för den flyghastighet som behövs för att stanna över stallhastigheten.

En hel del komplicerade svar ... men den enkla sanningen ligger i termen själv - överföring!

Kraft måste överföras, på något sätt, från motorn till vad som helst som skjuter fordonet framåt - hjulen eller propellern. Förbränningsmotorer har ett optimalt strömöverföringsomvandlingsområde - över eller under vilket effekten av motorn sjunker drastiskt.

Skillnaden mellan landfordon och luft- eller sjöfordon är, som nämnts av andra här, att friktionen mellan hjulet & mark behöver ett mycket större startmoment för att få det hjulet att röra sig. Genom att rotera en propellor genom luften eller vattnet kan man göra mycket lättare & snabbt.

Faktum är att detta också stämmer överens med varför endast landfordon har (och kan ha) bromsar. Varken luft eller sjöfordon kan ha bromsar. Eftersom bromsning innebär samma friktion som övervinndes för att starta fordonet. På grund av lägre friktionskoncentrationer, både hav och Luftfordon fortsätter att röra sig även om motorn slutar fungera. Självklart behöver flygbilar aldrig bromsas till stillastående medan de fortfarande är i luften. Men vattenfordon gör det och det uppnås genom att vrida drivriktarens rotationsriktning.

Eftersom propellrar i vatten och luft använder friktionen för att flytta objektet. Och denna friktion är betydligt mindre än den mellan asfalt och däck. På ett sätt fungerar gasen som växellåda. Den andra sidan av detta mynt är att det gör det svårt att göra snabba accelerationer från 0.