Трансмиссия, девушка капризная!

С тех пор как человек изобрел колесо и повозку он часто пытался нагрузить на эту колесницу побольше и поехать побыстрее и как можно дальше. После того, как предел природных поставщиков двигательной энергии был достигнут мозг постоянно изобретает хитрые машины все большей мощности. В народе они называются просто – двигатели. Но мало иметь даже самый мощный двигатель, надо заставить выработанную энергию крутить колесо с необходимой скоростью и делать это максимально точно и эффективно. Для этой цели и служит её величество Трансмиссия. Другая известная дама (Википедия) дает такое определение:
Трансмиссия (силовая передача) - в машиностроении совокупность сборочных единиц и механизмов, соединяющих двигатель (мотор) с ведущими колёсами транспортного средства или рабочим органом станка, а также системы, обеспечивающие работу трансмиссии. В общем случае трансмиссия предназначена для передачи крутящего момента от двигателя к колесам (рабочему органу), изменения тяговых усилий, скоростей и направления движения. Трансмиссия входит в состав силового агрегата.
В свою очередь трансмиссия достаточно сложный и технологичный механизм, в состав которой входят такие узлы как сцепление, КПП, ШРУС (шарниры равных угловых скоростей), подвеска, дифференциал и прочее.

В болиде Формулы 1 основным объединяющим элементом между двигателем и колесами является коробка перемены передач, которая соединяет в себе некоторые функции подвески. Кроме того, что КПП крепится в задней части мотора и передает на заднюю ось помимо тягового усилия и основную часть нагрузки от веса кокпита. Также к КПП крепится и часть подвески, отвечающая за передние колеса. Столь большие разновекторные нагрузки предъявляют повышенные требования в прочностным характеристикам корпуса КПП. Помимо динамических нагрузок на корпус коробка работает в режимах повышенных термо-динамических нагрузок передачи крутящего момента, температура среды достигает 120-140 ºС. Работа механических элементов происходит на максимально допустимых скоростях, какие позволяют самые эффективные смазочные материалы.

В соответствии с регламентом, коробка передач может иметь минимум 4 передачи и максимум – 7 положений, обязательна обратная передача. Семискоростные коробки передач используются в случае, когда необходимо, чтобы двигатель работал в узком диапазоне максимальной мощности, так они позволяют получить большую эффективность. Корпус КПП в большинстве случаев изготавливается из алюминия, титана и углепластика. Специалисты McLaren в 2012 представили КПП, изготовленную полностью из карбона, что позволило сэкономить около 3-х кг веса.

Конструкция КПП построена по 2-х вальной продольной схеме. Переключение скоростей выполняется в секвентальном (последовательном) порядке и в одном направлении. Это означает, что даже если необходимо переключиться с более высокой на низкую передачу, то в процессе переключения траектория движения шестерен сначала минует наивысшую, а потом достигнет необходимой. Продолжительность переключения с низшей на высшую передачу составляет 30-40 миллисекунд. С высшей на низшую - от 50 до 70 миллисекунд. На скорости 250 км/ч болид успевает за время переключения преодолеть 3,5 метра, примерно две трети своей длины Ручное переключение обеспечивает скорость переключения 200 – 250 миллисекунд, прогресс очевиден. Передача крутящего момента не прерывается даже на тысячную долю секунды, что обеспечивается электрогидравлической муфтой, которая фактически играет роль гидротрансформатора и приводит к ненужности синхронизации. Процесс выравнивание угловых скоростей вращения шестерен осуществляется автоматически после получения команды на увеличение или понижение передачи. Это происходит путем увеличения или уменьшения оборотов вторичного вала муфты сцепления, за счет изменения угла направляющего аппарата гидромуфты. Продольное перемещение шестерен осуществляется электрогидравлическим механизмом, движущимся по одной и той же траектории в одном направлении.

Технический регламент ограничивает количество вариантов передаточных чисел. В соответствии с требованиями статьи 9.6.2 каждая команда может использовать не более 30. Каждый гонщик может по своему усмотрению выбирать те, которые его устраивают больше. Однако все варианты необходимо предоставить в ФИА до начала сезона. Не является обязательным и использование всех вариантов в течение сезона. Если хотите обойтись 2-3 вариантами - проблем нет! Основным параметром, влияющим на выбор передаточных чисел, являются характеристики трассы.

Сначала подбирается наивысшая передача под тот угол атаки заднего антикрыла, который дает наивысшую эффективность при работе на симуляторе. А также сравнивается время прохождения круга с использование ДРС и без него. ориентироваться на максимальный прижим нельзя, поскольку на длинной прямой мотор может упереться в ограничитель оборотов, а это приведет к потере времени. Правильная настройка антикрыла дает прибавку к максимальной скорости до 15 – 17 км-час. оставшиеся
Оставшиеся отношения подбираются при помощи симулятора. Они должны обеспечить достаточный крутящий момент на выходе из поворотов, не допуская при этом излишнего падения оборотов мотора. Однако, если передача слишком «короткая», пилоту будет сложно не допустить пробуксовки на разгоне, а на входе в повороты машина будет вести себя нестабильно.
После приезда на трассу передаточные отношения могут быть изменены с учетом конкретного уровня сцепления или направления ветра. В пределах имеющихся трёх десятков их можно свободно менять между первой и второй пятничными тренировками. После завершения второй сессии команда должна в течение двух часов выбрать окончательный набор, который и будет использоваться по ходу двух оставшихся дней уик-энда.

Элементом, который вырабатывает крутящий момент на болиде, является двигатель внутреннего сгорания. В последнее время все чаще поднимается вопрос о расширении поля действия регламента на требования к силовой установке. В частности есть варианты использования газотурбинных установок. Правда, у меня отсутствует информация о технических характеристиках современных газовых турбин, но отечественный опыт мне известен. Так в 60 – 70 г.г. прошлого века в СССР были разработаны два варианта локомотивов с применением газотурбинных установок. Разными были только трансмиссии: гидравлическая или электрическая постоянного тока. В силу различных причин испытания были остановлены на фазе опытных образцов, поскольку результаты не соответствовали расчетным ожиданиям.
Очевидные плюсы использования:
- высокий уровень агрегатной мощности. При равных с дизелем размерах, мощность газотурбинного двигателя превышала ДВС почти в три раза!
- наибольшую эффективность газовые турбины показали в северных и высокогорных районах, на БАМе, при температуре наружнего воздуха до -50ºС;
- простота в обслуживании, при аналогичном пробеге затраты меньше чем у ДВС больше чем в два раза.
Основные недостатки газовой турбины:
- низкий КПД, который составляет 17-19%, при 37%, достигнутых у ДВС;
- расход топлива на холостых оборотах составляет около 70% от уровня номинальной мощности. Тут ДВС достигли уровня в 7-8%;
- большая инерционность при изменении режимов работы. газовая турбина любит постоянную нагрузку, в то время как на транспорте часто используются переменные режимы с коротким временем адаптации;
- сложность адаптации тяговой характеристики трансмиссии к наиболее эффективным значениям использования.
По совокупности цена-качество и наработка на отказ газовые турбины не выдержали конкуренции с ДВС как на ж.д., так и на автотранспорте. Однако отлично чустввуют сябя на море и в воздухе.