¿Por qué los aviones no tienen transmisión manual?

¡ Los aviones tienen engranajes fijos (cuando tienen engranajes)! Sin embargo, en cierto sentido, una hélice de paso variable puede considerarse análoga a la transmisión en un automóvil y era manual en algunos aviones.

La potencia transmitida por la hélice es, dentro de un rango razonable, proporcional a su velocidad de rotación. Y también lo es, nuevamente dentro de un rango razonable, la potencia producida por el motor. Entonces, para aviones lentos, una hélice de paso fijo conectada por engranaje fijo hace un trabajo decente. A medida que abre el acelerador, aumenta la velocidad del motor, también lo hace la hélice y eso es exactamente lo que debe hacer para transmitir la potencia. Los aviones más simples no tienen engranajes y la hélice está montada directamente en el eje del motor, los motores de mayor potencia a menudo tienen un engranaje de reducción de 2: 1, ya que las rpm del motor serían demasiado altas para una hélice.

Ahora, a mayor velocidad, el paso aparente de la hélice se reduce ya que el aire ya se está moviendo, por lo que giraría cada vez más rápido y, finalmente, demasiado rápido para el motor. Para contrarrestar esto, los aviones propulsados ​​por hélices más rápidos tienen hélices de paso variable. A medida que aumenta la velocidad, se establece en un ángulo de ataque más alto (más grueso) para que siga entregando potencia sin aumentar las rpm.

Las primeras hélices de paso variable tenían un paso controlado manualmente, pero rápidamente se desarrollaron hélices de velocidad constante (muchos aviones de la Segunda Guerra Mundial ya las tenían) donde un peso sobre resorte controla el paso de la hélice para que se mantengan las rpm constantes. Las unidades controladas manualmente requerían mucha atención y el sistema de velocidad constante es bastante simple, por lo que el control de paso manual se abandonó rápidamente.

Y eso es algo así como el equivalente a una transmisión perfecta de engranajes variables. El piloto todavía tiene una palanca del acelerador y una palanca de paso de la hélice y selecciona la potencia y las rpm de forma independiente. Las rpm más altas permiten una mayor potencia, pero no la requieren, por lo que el aterrizaje generalmente se realiza con baja potencia, pero con rpm máximas para que el motor reaccione rápidamente si se agrega potencia (no es necesario que gire). Durante el crucero se selecciona algún valor más moderado (según recomendación del fabricante) para reducir el desgaste del motor.

Los motores turbohélice siempre tienen hélices de velocidad constante, porque en un motor de turbina la diferencia entre la velocidad de la turbina al ralentí ya plena potencia en realidad no es tan grande. Nuevamente, las rpm limitan la potencia máxima, por lo que el aterrizaje se realiza con poca potencia, pero con altas rpm y el motor reacciona rápidamente cuando se agrega potencia.

Por último, los motores turborreactores/turboventiladores solo hacen girar las turbinas y los compresores según lo necesiten. En realidad, no es muy diferente de la hélice fija, aunque los motores a reacción ahora suelen tener paletas de guía variables en el estator (que solo están vinculadas a las rpm).

Debido a que la mayoría de los motores de aviones no tienen transmisión por engranajes:

^{Imagen de wiki}

La potencia se transmite directamente de la turbina al compresor con un eje rígido.

Es cierto, sin embargo, que algunos motores lo tienen, en particular, los motores de hélice:

^{Imagen de ATSB}

pero debe darse cuenta de que se trata de una relación de transmisión fija, no se requiere cambio de marchas y, por lo tanto, no se requiere "transmisión" manual ni automática.

Lo que podría tener, en los motores de hélice de "estilo antiguo", son diferentes palancas/perillas para la presión/acelerador del colector, el paso de la hélice y la mezcla.

Esfuerzo de torsión

Sospecho que la verdadera respuesta implica torque.

RPM del motor con el vehículo parado

Los motores de las aeronaves no tienen ni necesitan múltiples engranajes porque el motor no mueve la aeronave desde la posición de reposo aplicando torsión a las ruedas. En cambio, un motor de avión puede funcionar a RPM completas mientras el avión está estacionario al comienzo de una pista.

Si pones tu coche en la marcha más alta (¿6ª?), lo haces funcionar a RPM máximas (¿8000?) y sueltas el embrague, algo se romperá, como mínimo quemará el embrague y se alejará lentamente. Los motores de los aviones no tienen ni necesitan un embrague, en última instancia porque empujan el aire, no hacen girar las ruedas sobre el asfalto.

Los engranajes de relación variable en los vehículos de carretera (automóviles, bicicletas, etc.) son necesarios para hacer coincidir las capacidades de velocidad y par del motor principal (motor de gasolina, potencia de las piernas humanas, etc.) con los requisitos de velocidad y par de las ruedas de carretera en diferentes condiciones. condiciones de velocidad del vehículo, grado de la carretera, etc. Básicamente, existe la necesidad (o al menos el beneficio) de variar la ventaja mecánica entre el motor primario y la(s) rueda(s) motriz(es).

El motor principal (motor a reacción o de pistón, turboventilador o hélice) en una aeronave produce empuje en gran medida independiente de la velocidad del aire, por lo que para muchas aeronaves no se requiere un engranaje de relación variable. Para aviones de hélice, puede ser beneficioso variar la ventaja mecánica entre el motor y la corriente de aire. Se realiza, no mediante engranajes de relación variable, sino variando el paso de la hélice.. Por un lado, variar el paso puede variar la ventaja mecánica en un rango continuo donde una caja de cambios está limitada a unos pocos pasos fijos. Por otro lado, los sistemas de engranajes agregan mucho peso. Cambiar de marcha significaría desconectar el motor de la hélice a medida que se selecciona una relación de transmisión diferente; ese es un gran problema de confiabilidad/seguridad, y para un motor de pistón, ni siquiera podría funcionar. Los motores de pistón no pueden funcionar sin un volante; en un avión, la hélice sirve como volante.

Entonces, donde los beneficios de la ventaja mecánica variable justifican el costo, el peso y la complejidad adicionales, se instala una hélice de paso variable.

Algunos sistemas de paso variable proporcionan una palanca que controla directamente el paso: el piloto mueve la palanca en un rango entre "fino" (el motor obtiene más ventaja mecánica, adecuado para el despegue) y "grueso" (el motor tiene menos ventaja mecánica, adecuado para el despegue). para crucero).

Otros sistemas de paso variable proporcionan una palanca que selecciona las RPM objetivo del motor. El sistema de control de paso ajusta continuamente el paso de la hélice en un intento de mantener las RPM seleccionadas. El piloto usa el acelerador para aumentar o disminuir el empuje del motor y el control de cabeceo para optimizar las RPM del motor para las condiciones de operación (despegue, ascenso, crucero, etc.). En un PA32-300 , por ejemplo, el control de cabeceo estaría completamente hacia adelante (RPM máx.) para rodaje, despegue y ascenso inicial, pero se ajustaría un poco hacia atrás para crucero para reducir las RPM del motor (y el consumo de combustible) .

Podría pensar en los sistemas de control de paso que he descrito como análogos a una transmisión manual y automática respectivamente, pero la analogía es vaga en el mejor de los casos.

Respuesta ligeramente diferente a la última. Los motores de látigo de aire no necesitan mucho torque para empujar a través de la fricción viscosa que resiste el recorrido de las palas. Por eso los quadrotors funcionan y, sin embargo, son muy ligeros.

Comparación simple, empuje contra una pared y hay una fuerza normal que empuja hacia atrás. Ahora agita tu brazo en el aire. La única fuerza de resistencia es una función de la velocidad de tu brazo. es diminuto

Dado que no necesitan usar la reducción de engranajes para aumentar el par como en otras aplicaciones, no necesitan una transmisión de cambio de engranajes. De hecho, el efecto Bernoulli funciona con el empuje del flujo de aire sobre la pala, por lo que desea que las hélices giren tantas veces como sea posible para obtener la máxima elevación. Los motores eléctricos para quadrotors giran 10000 RPM, por ejemplo. Controlan la velocidad de giro del motor mediante la estrangulación del aire y el combustible para turbopropulsores o modulación de ancho de pulso para motores eléctricos. Las turbinas son aire y combustible, creo también, pero esa no es mi experiencia.

Los simuladores de vuelo no tienen transmisiones engranadas porque los aviones reales no tienen transmisiones engranadas. Lo más parecido que tendría un avión es una hélice de paso variable.

Con un vehículo con ruedas, las rpm del motor se calculan fácilmente como una relación con la velocidad de avance y el engranaje. No hay nada como eso con un avión.

Otro factor que no se menciona es que en los vehículos terrestres se utilizan marchas para viajar lentamente, de modo que el motor pueda permanecer en su rango de operación. Pero un avión no volará por debajo de cierta velocidad mínima de pérdida, por lo que los engranajes son bastante inútiles. En un avión pequeño típico, su rango de velocidades de vuelo (digamos 65-150 mph) corresponde a un rango de velocidad del motor de aproximadamente 1700-2500 rpm. Si acelera de nuevo al ralentí (o el motor se apaga), básicamente tiene que planear, cambiando la altitud por la velocidad aerodinámica necesaria para mantenerse por encima de la velocidad de pérdida.

Muchas respuestas complicadas... pero la simple verdad radica en el término mismo: ¡transmisión!

La potencia debe transmitirse, de alguna manera, desde el motor a lo que sea que empuje el vehículo hacia adelante: las ruedas o la hélice. Los motores de combustión interna tienen un rango óptimo de rpm de transmisión de potencia, por encima o por debajo del cual la eficiencia del motor cae drásticamente.

La diferencia entre los vehículos terrestres y los vehículos aéreos o marítimos es, como lo mencionaron otros aquí, que la fricción entre la rueda y la tierra necesita un par de arranque mucho mayor para que la rueda se mueva. Mientras que girar una hélice a través del aire o el agua se puede hacer mucho más fácil y rápidamente.

De hecho, esto también se relaciona con por qué solo los vehículos terrestres tienen (y pueden tener) frenos. Ni los vehículos aéreos ni marítimos pueden tener frenos. Porque el frenado implica la misma fricción que se superó para poner en marcha el vehículo. Debido a los coeficientes de fricción más bajos, tanto los vehículos marítimos como los aéreos continúan moviéndose incluso si el motor deja de funcionar. Obviamente, los vehículos aéreos nunca necesitan frenarse hasta detenerse mientras aún están en el aire. Pero los vehículos acuáticos sí, y eso se consigue invirtiendo el sentido de giro de la hélice.

Porque las hélices en el agua y el aire usan la fricción para mover el objeto. Y esta fricción es mucho menor que la que existe entre el asfalto y los neumáticos. De una manera, el gas está actuando como caja de cambios. La otra cara de esta moneda es que dificulta hacer aceleraciones rápidas desde 0.