Usterki skrzyni winą Kubicy?

Gdy zamrożono rozwój silników, wprowadzono jednakowe dla wszystkich opony i pozostawiono bez większych zmian przepisy dotyczące nadwozia, zespoły F1 zaczęły szukać cennych ułamków sekund w układach przeniesienia napędu.

Międzynarodowa Federacja Samochodowa przystopowała nadmierny rozwój technologii w Formule 1 z powodu troski o koszty. Silniki przetrwają bez poważniejszych zmian (małe usprawnienia wciąż są dopuszczalne) do końca roku 2010, w tym samym okresie wszystkie zespoły otrzymywać będą takie same opony od jednego producenta. FIA nie zdecydowała się na kolejne zmiany w aerodynamice aut (czyli na dalszą redukcję docisku), a jedyne novum w tym sezonie to wzmocniona tylna struktura zderzeniowa. Najważniejszym aktorem spektaklu powinien znów stać się kierowca, choć początek sezonu 2007 tylko częściowo potwierdza tę tezę. Teamy nie ryzykują ostatecznego rozstrzygnięcia pomiędzy zawodnikami i szukają chociaż najdrobniejszej przewagi technologicznej. Można ją uzyskać poprzez rewolucyjne zmiany w układzie przeniesienia napędu.

DOTYCHCZASOWE ROZWIĄZANIE

Wszystkie ekipy F1 używały do tej pory półautomatycznych skrzyń sekwencyjnych. Po raz pierwszy pojawiły się one w tym sporcie w 1989 roku dzięki Ferrari i pomysłodawcy takiego rozwiązania, Johnowi Barnardowi. Zrewolucjonizowało to wyścigi F1, gdyż kierowcy do zmiany biegów nie musieli odrywać rąk od kierownicy - wszystko odbywało się i nadal odbywa poprzez naciśnięcie łopatek za kierownicą. Pozwala to utrzymać stałą kontrolę nad autem, nie traci się też czasu na znalezienie dźwigni.

Sama technologia zastosowana w półautomatach była podobna do używanej już wcześniej: przełożenia załączano poprzez sprzęgła kłowe bez synchronizatorów, a same koła zębate były osadzone na dwóch wałkach. Biegi wybierano tradycyjnie przez trzy widełki wybieraka (jedne widełki dla dwóch biegów uruchamiają tzw. przesuwkę z dwoma sprzęgłami kłowymi), kontrolowane przez siłowniki hydrauliczne. Z nastaniem ery półautomatów konstruktorzy zaadaptowali wybierak bębnowy, podobny do używanego w motocyklach, wymuszając przez to sekwencyjny wybór biegów (redukując z przełożenia VI na III, przekładnia musiała przejść przez biegi V i IV).

Takie rozwiązanie, wspomagane przez pojawienie się elektrohydraulicznej kontroli sprzęgła i elektrycznej kontroli przepustnicy, skróciło czas zmiany biegów do 20-30 milisekund. Sekwencyjne skrzynie biegów zmniejszyły również rozmiar i masę, chociażby dlatego, że niepotrzebne już było aż sześć siłowników, a tylko dwa, by obracać wybierak bębnowy do przodu i do tyłu.

Technologia skrzyń biegów w pewnym momencie zastygła w miejscu. Sekwencyjne półautomaty stały się efektywne i bezawaryjne, jednak mechanika wciąż opierała się na tych samych zasadach: bieg musiał zostać odłączony, zanim następny mógł być załączony, a wahania prędkości obrotowej silnika były większe, niż wynikałoby to ze zmiany przełożeń skrzyni.

Jedyne zauważalne między teamami różnice wynikały z zastosowanych do wytwarzania obudowy przekładni materiałów. Niektórzy stosowali aluminium, inni tytan (Minardi było pionierem w 2001 roku), a jeszcze inni włókna węglowe (B.A.R Honda). Ferrari swego czasu eksperymentowało z urządzeniem, które roboczo nazywano "bezsprzęgłową skrzynią biegów", a McLaren nieskutecznie próbował skonstruować wyścigową skrzynkę DSG (dwusprzęgłową). FIA natychmiast wkroczyła w ten obszar i zabroniła stosowania w F1 skrzyń CVT (bezstopniowych) i DSG.

Wymusiło to na zespołach poszukiwanie czegoś zupełnie innowacyjnego. Końcówka lat 90. i początek XXI wieku spędzone w laboratoriach badawczych przyniosły wynalazek ochrzczony dziś jako "skrzynia o płynnej zmianie biegów" (ang. seamless). Ojcem tej technologii był zespół B.A.R. Honda w roku 2004, następnie rozwiązanie pojawiło się w zespole McLaren w sezonie 2005, Williams w 2006, a teraz stosują je wszyscy poza Spykerem (Red Bull stosuje je od GP Hiszpanii).

JAK TO DZIAŁA?

Żaden team nie chce rozmawiać o szczegółach swojego projektu, wszystko owiane jest ogromną tajemnicą. Pomimo to znane są podstawowe zasady działania nowych przekładni. Została zachowana w nich struktura dwóch wałków w skrzyni biegów i system załączania par przełożeń.

Zmodyfikowano natomiast wybierak i sprzęgła kłowe. Przy dotychczasowej zmianie biegu wybierak pchał sprzęgło kłowe na czoło koła zębatego zarówno przy redukcji jak i załączaniu biegu wyższego.

Skrzynia o płynnej zmianie biegów korzysta z dwóch różnych rozwiązań do załączania przełożenia wyższego i redukcji. W obu przypadkach następny bieg może zostać wstępnie wybrany przed jego załączeniem poprzez wciśnięcie sprzęgła kłowego na parę następnych kół zębatych. Zamiast odłączać napęd i załączać go z powrotem, część sprzęgła kłowego realizuje załączenie nastepnego przełożenia w tym samym ruchu, w którym rozłączane jest poprzednie.

Gdy kierowca poprzez wciśnięcie łopatki na kierownicy "poprosi" elektronikę o zmianę biegu, ta natychmiast obniży nieco obroty silnika i podniesie je znów, gdy prędkość auta będzie odpowiednia i nie będzie zagrażała bezpieczeństwu kierowcy i podzespołów (gdyby omyłkowo wybrany został niewłaściwy bieg). Wtedy sprzęgła kłowe poprzedniego przełożenia są uwalniane, a skrzynka biegów może wstępnie wybrać następne z nich. Proces ten pozwala na bardziej płynną zmianę przełożeń.

W rzeczywistości powyższy opis nie wyjaśnia wielu szczegółów technicznych.

W opinii specjalistów system stosowany dziś w F1 opiera się na patencie brytyjskiej firmy Zeroshift. Stara się ona intensywnie zainteresować przemysł motoryzacyjny rozwiązaniem pozwalającym na wyjatkowo szybką, płynną zmianę biegów w zautomatyzowanych skrzyniach mechanicznych w zwykłych, seryjnych samochodach. Opublikowane rozwiązanie Zeroshift opiera się na rezygnacji z ciernych synchronizatorów i wprowadzeniu w zamian czegoś w rodzaju preselekcji wyboru następnego biegu za pomocą dwuczęściowego mechanizmu zazębiającego.

Tajemnicą szybkości działania jest tu nie tyle mechaniczna budowa elementów załączających biegi, ale elektroniczne sterowanie prędkości obrotowej wału i przesunięć sprzęgieł tak, by uniknąć uderzeń i zbędnych przerw w napędzie.

JEST SZYBCIEJ, ALE I TRUDNIEJ

Pojawiły się dwa zyski ze stosowania nowego rozwiązania w skrzyni biegów. Po pierwsze, zmniejszenie czasu potrzebnego na zmianę biegu pozwala autu dłużej korzystać z aktywnego napędu silnikiem i nawet milisekundowe zyski są tu istotne.

Nie należy jednak tego mylić z redukcją czasów okrążeń. Kilka setnych części sekundy zaoszczędzonych na zmianie biegu nie będzie równe takiemu samemu zyskowi w czasie okrążenia toru.

Drugim plusem jest płynność poruszania się samochodu po torze, zarówno przy hamowaniu jak i przyspieszaniu. Teraz charakterystyczne szarpnięcia przy zmianie przełożeń są znacznie mniejsze. Mniej kołysania podczas pokonywania zakrętu utrzymuje samochód w bardziej stabilnym położeniu, co skutkuje lepszym balansem aerodynamicznym. To ta stabilność i płynność powodują wspominaną przez zespoły F1 redukcję czasu okrążenia nawet o 0,3 sekundy. Powinno to wzmocnić pewność zawodnika, pozwolić mu jechać szybciej i bardziej agresywnie.

W obawie przed zawodnością nowej technologii większość zespołów zaprojektowała skrzynie na sezon 2007 w dwóch wariantach - z opcją konwencjonalnej i płynnej zmiany biegów. Red Bull podał, że ich "płynna" skrzynia waży zaledwie 1,5 kg więcej od poprzedniej, co sprawia, że zysk 0,1-0,3 sekundy na okrążeniu jest bardzo atrakcyjny. Niestety, kosztem takich usprawnień jest podwyższone ryzyko defektów technicznych.

Praktycznie wszystkie części są dużo mniejsze w porównaniu z konwencjonalnym sekwencyjnym półautomatem, a brak doświadczenia w projektowaniu tego typu przekładni sprawia, że inżynierowie nie mają punktu odniesienia do tego, jak mocne i wytrzymałe mają być poszczególne podzespoły. Dodatkowe żniwo zbiera bardziej skomplikowany układ hydrauliczny takiej skrzyni biegów. Teraz wymagana jest większa liczba siłowników do kontrolowania większej liczby wybieraków.

Jak zobaczyliśmy już na przykładzie ekipy BMW Sauber, ale nie tylko jej, właśnie ta sfera sprawiała szczególnie dużo kłopotów inżynierom.

Obsługiwanie przesunięć poszczególnych elementów potrzebuje ogromnego ciśnienia hydraulicznego. W jednej milisekundzie wzrasta ono do poziomu 200 barów - wcześniej nie osiągano takich wartości.

Zespół BMW Sauber przez około 2 miesiące nie potrafił uporać się z negatywnymi skutkami takich obciążeń. Elementy nie wytrzymywały dystansu ponad 300 km, zauważono też wady w wybierakach. Inne teamy F1 również nękały usterki, ale były one głównie związane z elektroniką, co pozwoliło im na szybsze rozwiązanie problemów.

NAJSŁABSZE OGNIWO

Polscy kibice byli zaniepokojeni awaryjnością samochodów z Hinwil i Monachium, słysząc coraz to nowe informacje o defektach auta Nicka Heidfelda i szczególnie Roberta Kubicy. O ile układ hydrauliczny F1.07 był do pewnego momentu jego piętą achillesową, to polski kierowca również nie był bez winy. Robert Kubica jeździł w zeszłym roku bardzo agresywnie, jednak Bridgestone, wprowadzając nowe opony o innej poprzecznej sztywności, wymusił na nim spokojniejszą jazdę.

Polakowi pozostał jednak nawyk bardzo wczesnej redukcji biegów przy najwyższych obrotach (tzw. dohamowywanie biegami, bardziej charakterystyczne dla jazdy rajdowej). Częstsze defekty Kubicy w testach i GP Australii to był nieuchronny skutek jego wyścigowego stylu. Jadąc na wysokich obrotach na 7. biegu, Robert szybko redukował przed zakrętem do np. biegu 4., nie zmniejszając prędkości hamulcami. Nawet elektronika F1 nie była w stanie uchronić przekładni od "pomyłek" w doborze prędkości obrotowych i czasu załączania poszczególnych biegów. Czasami powodowało to wyłączenie napędu, zablokowanie skrzyni na którymś z przełożeń lub całkowite zniszczenie części mechanicznych.

W miarę upływu czasu Kubica uczy się jednak jazdy z nowymi przekładniami, czego przykładem była przerastająca oczekiwania zespołu bezawaryjna jazda w czasie GP Monako.

Warto w tym miejscu wspomnieć, że pech Polaka w Malezji nie był spowodowany wadliwą przekładnią, lecz błędnie działającym czujnikiem prędkości tylnych kół, przez co kontrola trakcji nie działała prawidłowo, a nawet przeszkadzała. Mogło to też mieć niewielki pośredni wpływ na zmianę biegów. Podobne problemy występowały też w Monako.

PRZYSZŁOŚĆ PRZEKŁADNI

Płynna zmiana biegów to bardziej droga naokoło niż rozwiązanie idealne. Wspomniane wcześniej przepisy nie dopuszczają do użytku w F1 skrzyń CVT i DSG, które to technologie są wprowadzane na coraz szerszą skalę do samochodów seryjnych.

CVT jest atrakcyjna ze względu na możliwość ciągłej pracy silnika w optymalnym zakresie obrotów, podczas gdy przełożenia dopasowują się do prędkości jazdy. Bezstopniowe skrzynie generują jednak znaczne straty i nie nadają się do samochodów wyczynowych.

Dwusprzęgłowe skrzynie natomiast są coraz popularniejsze, koncern Audi-

-Volkswagen już używa ich w sporcie samochodowym. Niestety, skomplikowana konstrukcja takiego urządzenia, jego koszt, a szczególnie duża masa nie wróżą mu szczególnej kariery w sporcie wyczynowym w następnych latach.

Na razie inżynierowie F1 będą udoskonalać swą najnowszą konstrukcję. W krótkim czasie "płynne" skrzynie staną się tak niezawodne jak ich poprzedniczki, a uwaga konstruktorów skupi się na przystosowaniu ich do długich przebiegów. Pamiętajmy, że od przyszłego roku jedna skrzynia biegów będzie musiała wytrzymać aż 4 weekendy Grand Prix.

W czasie wyścigu biegi zmienia się kilka tysięcy razy. Przerwy w napędzie wydają się krótkie, ale ponieważ samochód F1 stawia olbrzymi opór aerodynamiczny, ocenia się, że hamowany jest wtedy ze średnim opóźnieniem

1 G. Jest to istotne w trakcie przyspieszania - znaczne obniżenie czasu zmian biegów może pozwolić na istotny zysk czasowy na okrążeniu, mówi się o ponad 20 sekundach podczas całego wyścigu.

Idea mechanizmu Zeroshift polega na tym, że nie stosuje się synchronizatorów, tylko czołowe sprzęgła kłowe nowego pomysłu. Każdą przesuwną zapadkę tego sprzęgła osadzono w typowej piaście zazębionej z wałkiem (nie pokazanej na rysunku). Zapadki z jednej strony mają powierzchnię roboczą, a z drugiej skos służący do wyzębienia i ułożone są naprzemiennie. Obrót współpracującego koła względem zapadki w jedną stronę powoduje zazębienie, w drugą jej "wyrzucenie". Dosunięcie do koła obu kompletów zapadek powoduje, że może ono przenosić moment w obie strony. Jeżeli jeden z zestawów zapadek zazębi się z drugim kołem, moment będzie przenoszony z tego koła, które obraca się szybciej. Wtedy zapadki, które przenosiły moment poprzednio, zostają automatycznie wyzębione.

Porównanie momentu napędowego w pojeździe ze skrzynią biegów ze sprzęgłami kłowymi (wykres czerwony) i nową "płynną" (niebieski). Spadek momentu spowodowany jest załączeniem sprzęgła kłowego. Następujący po nim skok jest wynikiem wyrównywania prędkości obrotowych sprzęgła o pewnej bezwładności. Pojawiają się niekorzystne szarpnięcia, podczas gdy nowa przekładnia jest spokojniejsza i bardziej przewidywalna. Dorian Patynowski

Zjedź na pobocze.