Эволюция в Формуле-1: от «полуавтоматов» до «бесшовных» КПП
В 1989 году в Формуле-1 произошла техническая революция: команда Ferrari представила полуавтоматическую КПП. Прежде в Формуле-1 всегда использовали обычные коробки передач.
Джон Барнард
Главный конструктор Скудерии, установил на последовательную КПП, аналогичную мотоциклетной, электрогидравлический привод переключения передач. Кстати, во многом благодаря этому английскому конструктору, Формула-1 обрела тот вид, в каком мы ее знаем сейчас. Ведь именно Барнард первым применил карбоновый монокок и полуавтоматическую КПП.
Нужно отметить, что впервые такую трансмиссию испытали еще в далеком 1979 году. И это опять была Ferrari. Тогда эту систему разработал Мауро Форгьери. На испытаниях экспериментальная конструкция отработала 100 кругов, а показанное время было чуть лучше, чем с обычной коробкой передач. Но до применения в гонках дело не дошло. Во-первых, коробка Форгьери была слишком тяжёлой. Во-вторых, она не понравилась Жилю Вильневу:
КПП работает нормально, но меня очень беспокоят все эти провода вокруг руля. Не поймите меня неправильно и не сочтите за грубость, но я бы не хотел использовать эту коробку передач в гонках.
Ferrari 640. Фото: Youtube.com
Проект отложили в долгий ящик на десять лет, после чего нечто подобное было реализовано Джоном Барнардом. У полуавтоматической коробки передач было три основных преимущества над классическими конструкциями.
- ?Во-первых, сокращение времени на переключение передачи.
- ?Во-вторых, теперь гонщик всегда мог держать руль двумя руками, что в отсутствии гидроусилителя руля значительно облегчало пилотаж.
- ?И в-третьих, теперь можно было переключать передачи в поворотах!
Конечно были у «полуавтомата» и недостатки. Самым главным было отсутствие надежности. Несмотря на то, что команде Ferrari удалось выиграть с такой КПП в первой же гонке, позже они столкнулись с массой проблем — инновационная коробка слишком часто ломалась. Из 32 стартов (16 этапов х 2 болида) КПП отказала 23 раза!
И это не была «проблема итальянского менталитета»! С похожими проблемами через пару лет столкнулись в команде Williams, а позже и в McLaren.
Williams FW14 Renault. Фото: Youtube.com
По окончании сезона 1991 года, складывалось впечатление, что Айртон Сенна стал чемпионом мира благодаря… КПП конкурентов! Многочисленные технические отказы лишили лидера команды Williams, Найджела Мэнселла, нужных очков. Отсюда возникло меткое прозвище для этого девайса: «shitbox», то есть «коробка с сюрпризом».
В 1991-м полуавтоматическая трансмиссия была установлена на шасси FW14. Я думаю что именно из-за нее мы тогда проиграли чемпионат, поскольку в первых четырех гонках коробка передач работала крайне ненадежно.
В 1991 году в Чемпионате мира последний раз победил болид с «ручной» КПП — все последующие титулы достанутся пилотам выступающим с полуавтоматическими трансмиссиями. Также это был последний раз, когда чемпионом стал гонщик выступавший на болиде с двигателем V12. Последняя победа с «ручной коробкой» была одержана в 1992 году, на Гран-при Бельгии.
Михаэль Шумахер. Бельгия 1992. Фото: Youtube.com
Клиноременный вариатор
В 1993 году команда Williams построила экспериментальный болид с трансмиссией CVT. На тестах вариатор производил неоднозначное впечатление. С одной стороны оснащенная им машина ехала быстрее, чем с полуавтоматической коробкой. Но с другой — вой двигателя Renault V10, зависающего при разгоне на одной ноте, то есть на 13800 об/мин, сводил с ума окружающих в самом буквальном смысле!
FIA поспешила объявить бесступенчатые трансмиссии вне закона, прописав в Техническом регламенте, что болид Формулы-1 обязан иметь минимум четыре и максимум семь фиксированных передач для движения вперед.
В середине девяностых полуавтоматические коробки передач вышли на пик своей производительности: время переключения с одной передачи на другую составляло всего 25 миллисекунд (0.025 сек.). Для сравнения, время требуемое для переключения передачи в механической КПП составляло 0,25 секунды.
BAR-Honda Дженсона Баттона. Фото: Youtube.com
Казалось что ничего нового в этой сфере придумать уже невозможно, но в 2005 году произошла «тихая революция» — в команде BAR-Honda изобрели КПП с «бесшовным переключением передач»: SSG, или «seamless gearbox». Первым болидом примерявшим новинку стал BAR-007. Бесшовность работы этой КПП достигалась за счёт одновременного включения двух передач.
Теоретически механизм способен мгновенно переключать передачи, позволяя включать две передачи одновременно
— Атуши Мано, главный инженер Honda R&D.
Следуя законам жанра, здесь я должен был рассказать про «собачьи кольца», «пули», про «синие и красные кольца». Но ничего этого не будет, потому что коробка передач BAR-007 Honda устроена иначе! Согласно «Honda R&D Technical Review», в ней использовался «внутривальный» механизм переключения.
Как это работает
Включение передач осуществлялось с помощью гидропривода, кулачками особого профиля — «коромыслами» — установленными под муфтой каждой отдельной шестерни. Вторичный вал выполнен полым, и через него проходила гидравлическая магистраль, открывавшая клапаны в определенной последовательности, тем самым обеспечивая подключение кулачков к муфте.
Руль болида Ф1. Фото: Youtube.com
Одновременно подключались кулачки на двух парах (четная и нечётная) шестерен. На текущей передаче кулачки входили в зацепление полностью, а на заранее подключенной лишь одной стороной. Тем самым для второй пары шестерен достигался эффект храповика, когда крутящий момент передается только в одном направлении, а значит повредить коробку было невозможно.
Пример из жизни: ключ-трещотка, передающий крутящий момент только в одну сторону. Вы сможете закрутить гайку, но открутить ее не сможете, пока не переключите храповик. Так же и с бесшовной КПП.
После того, как скорость вращения шестерен подключенной передачи превышала скорость текущей, кулачки «менялись местами» и происходила мгновенная смена передачи, без разрыва мощности. И так семь или восемь раз подряд, в зависимости от количества передач в КПП.
Теперь в момент смены передачи крутящий момент от двигателя не прерывался ни на мгновение, за счет чего время круга удалось сократить на 0.4 секунды, что по гоночным меркам очень много.
Как и в случаях с полуавтоматической коробкой передач Ferrari, или PDK от Porsche, на момент реализации эта конструкция не была новинкой, так как уже несколько лет пылилась на полке.
Модель типичной «бесшовной» КПП. Фото: Youtube.com
Коробка передач BAR-007 Honda основана на КПП Weismann Quickshift, впервые испытанной командой Williams еще в 1993 году. Её часто путают с вариаторной FW15-CVT, испытанным в том же сезоне, но это разные трансмиссии. Почему данная разработка сразу не попала на трассы — неизвестно.
По принципу работы система бесшовного переключения передач чем-то напоминает коробки с двумя сцеплениями типа PDK или DCT. Но в Формуле-1 подобные конструкции запрещены Техническим регламентом»: в Формуле-1 можно использовать только одно сцепление.
На самом деле для использования в гонках бесшовные коробки передач выглядят предпочтительнее, чем коробки типа «dual clutch». Как минимум из-за веса и размеров, что для гоночной техники имеет принципиальное значение.
С гоночной трассы, на дороги
Вслед за Формулой-1 подобные конструкции появились в мотогонках MotoGP, где пионером их применения вновь выступила японская марка Honda. В настоящее время КПП всех мотоциклов в этом классе оснащены бесшовным, или, как их еще называют, «безрывковым» механизмом смены передач.
А относительно недавно появилась информация, что такой КПП собираются оснастить дорожный мотоцикл Ducati Panigale V4.
Использованы фотографии: youtube.com
Как это работает: Коробка передач в Формуле 1
Ограничения на число коробок передач, которые гонщик может использовать по ходу сезона, позволили снизить расходы на этот сложный технический узел, состоящий из более, чем полутора тысяч деталей, но и сейчас команды тратят от 5 до 5.5 миллионов долларов за сезон на его разработку и производство. Учитывая дополнительные расходы, затраты вполне сопоставимы с ценой клиентских моторов.
Коробка передач в современных машинах Формулы 1 способна выдержать высочайшие нагрузки. Только во время гонки в Монако передачи переключаются четыре тысячи раз при температуре около 140 градусов, любая поломка может привести к сходу, поэтому надёжности коробки и управляющей гидравлической системы уделяется особое внимание.
Перед началом сезона команды сообщают FIA тридцать вариантов передаточных чисел. До отправки машин на трассу инженеры подбирают на симуляторе возможные соотношения для конкретной конфигурации, а вечером в пятницу, после окончания свободных заездов, команды сообщают FIA о передаточных числах семи передач, которые будут использоваться по ходу уик-энда.
При этом, если изменится состояние трассы или погодные условия, вносить коррективы, избежав штрафа, нельзя – инженерам нужно заранее предусмотреть множество факторов, в том числе разницу в использовании системы DRS в квалификации и гонке, избежав ситуации, когда двигатель «упирается» в ограничитель оборотов.
Переключая передачу на руле, гонщик замыкает контакт датчика унифицированного блока управления двигателем ECU. Электроника даёт команду гидравлической системе с обратной связью, которая, не допуская потери мощности, одновременно отключает одну передачу и включает другую. Максимально допустимый интервал при самом сложном алгоритме переключения – семь тысячных секунды.
Коробка передач скрыта за кожухом двигателя, но её расположение учитывается при разработке общей концепции аэродинамики машины. В прошлом году команда Ferrari изменила размещение коробки, чтобы оптимизировать воздушный поток к двойному диффузору, а весной 2011-го инженеры Williams были очень довольны компактной компоновкой коробки и задней подвески, что позволило улучшить аэродинамические характеристики.
Коробки передач в современной Формуле 1 – одна из важнейших слагаемых успеха, хотя чаще всего они упоминаются в прессе в качестве причин схода после редких поломок. В последние годы команды добились серьёзного прогресса в надёжности и эффективности этого узла, но работа не останавливается, и следующий серьёзный шаг будет сделан в 2014-м, после перехода на новый технический регламент.
Как работает коробка передач в Формуле-1
На болидах Формулы 1 установлены полуавтоматические коробки передач без синхронизатора. Для переключения передач пилот не использует сцепление, а нажимает небольшие рычаги, расположенные с обратной стороны руля.
ПАЛОЧКИ И КРУЖОЧКИ: Переключая передачу на руле, гонщик замыкает контакт датчика унифицированного блока управления двигателем ECU. Электроника даёт команду гидравлической системе с обратной связью, которая, не допуская потери мощности, одновременно отключает одну передачу и включает другую. Максимально допустимый интервал при самом сложном алгоритме переключения – 0,07 секунды.
КУДА ВРЕЗАЛИ: Коробка передач скрыта за кожухом двигателя, но её расположение учитывается при разработке общей концепции аэродинамики машины. Она стыкуется с задним фланцем двигателя в фиксированных точках, оговорённых в регламенте. Коробка не мешает турбине, которая также расположена позади мотора, но несколько выше. При этом отработанные газы, идущие к турбине, приходится пропускать по выхлопным трубам через технологические отверстия в боковинах картера коробки передач.
ВАЖНО: КАК БЫЛО РАНЬШЕ. Раньше команды настраивали передаточные числа для каждой трассы. В частности, благодаря настройкам последней передачи, болид достигал максимальной скорости только в момент окончания самой длинной прямой. Полная настройка коробки передач занимала приблизительно 40 минут.
ВАЖНО: КАК СЕЙЧАС. В настоящее время передаточные числа нельзя менять между гонками, поэтому команды вынуждены в начала сезона выбрать универсальные настройки для всех трасс. Поэтому, например, 8 передача настраивается для трасс с длинными прямыми, и на более коротких и медленных автодромах она может не использоваться вообще.
О ЗАДНЕЙ. На болидах Формулы 1 существует и задняя передача. Регламент требует ее присутствия, поэтому конструкторы делают ее максимально облегченной, и потому ненадежной. Часто команды устанавливают модуль задней передачи рядом с основной коробкой, чтобы понизить вес второй. Поэтому часто в гонках гонщики пытаются выехать обратно на трассу только по прямой, или же при вылете в гравий, не пытаются включить заднюю. Есть слух, что некоторые гонщики просто не умеют это делать, потому что надо выполнить целый ряд сложных команд.
Что внутри коробки передач болида Формулы-1
Бросается в глаза максимальная простота коробки. Никаких синхронизаторов.
Устройство коробок передач для большинства представляет загадку. А уж устройство коробки передач болида Формулы-1 и подавно. Скотт Манселл из проекта Driver61 показал на видео, как устроена кулачковая КП болида Ф-1 Jordan 197, на котором когда-то гонялись Джанкарло Физикелла и Ральф Шумахер. Это было в 1997 году, но конструкция и по сей день выглядит гениально. Скотт рассказывает, как устроена коробка и как она работала. На видео представлен списанный образец, так что ничего страшного Скотт с ним уже не сделает. Разбор начинается с небольшого цилиндра — это рабочий цилиндр коробки передач, работающий на пневматике. Он отвечает за переключение самих передач. Мы к нему еще вернемся. Необходимо упомянуть, что КП в Ф-1 расположена между задними колесами и двигателем. В единый с ней корпус встроен и дифференциал. Отсоединив его, Манселл извлек из корпуса непосредственно передачи — набор прямозубых шестерней. Из-а своей прямозубости такая КП работает гораздо громче обычной с косозубыми шестернями. Кроме того, из-за отсутствия осевых нагрузок на валах их КПД заметно выше обычных.
Бросается в глаза максимальная простота коробки. Никаких синхронизаторов. Рабочий цилиндр проворачивает небольшую шестерню — и специальная муфта с кулачками (выступами на ней) зацепляется за такие же на шестерне. Чтобы зацепление происходило плавнее (все-таки здесь нет никаких синхронизаторов), кулачки выполнены скошенными.
