Сцепление болидов Формулы 1

Cцепление Ф-1 маленькая часть инженерного мастерства, которая завершает поразительную работу по передаче 800 л.с. от двигателя через коробку передач трансмиссии. При весе меньше 1,3 кг и 97 мм в диаметре небольшое сцепление «мучают» каждый раз, когда автомобиль начинает двигаться на старте гонки, пит-стопах, и выездах из гаража. Здесь мы имеем дело с современными технологиями сцепления гоночных автомобилей.

Устройство сцепления

Прикрепленное к коробке передач сцепление отделяет двигатель от трансмиссии. Оно находится исключительно под контролем пилота, которой управляет сцеплением через переключатель в виде лепестка (клавиши) на рулевом колесе. Перемещение деталей этого узла происходит благодаря гидравлической системе.

Сцепление составлено из относительно немногих деталей: корзины, ведомого диска, нажимного диска, пружины, втулки и защитного диска.


По сравнению с дорожными автомобилями и даже с некоторыми другими гоночными автомобилями, сцепление Ф-1 очень маленькое.

Такой размер помогает конструкторам двигателей, которые не ограничены большим диаметром сцепления могут понизить двигатель в целом до самой нижней точки, которую им позволяет коленчатый вал. Однако, поскольку размеры коленчатого вала Ф-1 установлены регламентом, еще меньшее сцепление больше не требуется.

Маленькое легкое сцепление будет иметь меньшую инерцию и меньший вес. В то время как небольшой размер является благом для конструкторов двигателя и шасси, конструктора же трансмиссии в этом случае сталкивается с проблемой.

Нажимное усилие, создаваемое сцеплением, является важным фактором для гарантии, что лошадиные силы двигателя будут передаваться без пробуксовки сцепления, т.е. без потерь.

Нажимное усилие зависит от суммарной площади диска и жесткости нажимных пружин. Требуется большее число дисков или более крупные диски, чтобы сцепление могло выдерживать нагрузки без тяжеловесных пружин.

Из-за небольшого размера и производимого большого количества трения внутри маленького пространства, выделяемое тепло является огромной проблемой для конструктора сцепления. Как и у тормозов Ф-1, которые испытывают такие же высокие температурные нагрузки и имеют требование по небольшому весу, карбоновое волокно это тот материал, который используется и для трущихся поверхностей сцепления.

Нажимной диск сцепления

Нажимной диск располагается внутри корзины из титана. Площадь одного нажимного диска предназначенная для передачи нажимного усилия составляет 33 кв. см. Общая площадь сцепления для передачи нажимного усилия — 200 кв. см.

Ведомый диск имеет прорези на алюминиевой втулке.


Ведомый диск сцепления

Сцепление и отдельно защитный диск

Титановый защитный диск присоединен к корзине двумя скобами к каждому пальцу корзины. С помощью маленьких4 ммгаек закрывается узел сцепления, Некоторые команды используют эти гайки как способ измерить число оборотов у первичного вала коробки передач и даже его угловое положение для более точного плавного переключения передач.

У этого особого сцепления имеется также и зубчатое кольцо, прикрепленное к задней части корзины, которое, по мнению наблюдателей, наиболее вероятно установлено с такой же целью.


Зубчатое кольцо «синхронизации» в задней части корзины

Еще одна деталь сцепления — промежуточное кольцо сцепления, которое регулирует правильность начального нажимного усилия. Данная деталь тщательно механически обрабатывается до определенной толщины, в данном случае 5-7 мм.


Промежуточное (опорное) кольцо сцепления

Кольцо выступает также в качестве распорки и образовывает опору, на которую крепится диафрагменная пружина. Центр пружины упирается в цилиндр муфты выключения привода сцепления.

Сцепление и привод в сборе – сцепление включено (диафрагменная пружина сцепления – желтый цвет)

Сцепление и привод в сборе – передается тяговое усилие, чтобы выключить сцепление

Ф-1 использует сцепления «растягивающего» типа, где рабочий цилиндр передвигается от сцепления, чтобы высвободить действие силы пружины, которая удерживает зажатое состояние сцепления. Данная настойка обеспечивает больший контроль по сравнению со сцеплением «сжимающего» типа. Сцепление обычно ограничено корпусом, в котором установлен рабочий цилиндр, находящийся перед сцеплением.

Когда привод сцепления растягивается, чтобы выключить сцепление пластины пружины сжимаются возле опоры и давление на диски прекращается. Это движение сцепления составляет около 4 мм. Контроль от включенного состояния сцепления до точки разъединения, т.е его выключения невероятно важен. Трение пружины на корзину сцепления или опору делает управление сцеплением менее предсказуемым

Применение сцепления

Сцепление не часто используется на болидах Ф-1. Переключение на повышенные или пониженные передачи при современных бесступенчатых методах сцепление не требуется. Этот механизм необходим только при трогании с места из гаража, старта и пит-стопа во время гонки.

Работу сцепления должен контролировать исключительно пилот, который делает это через лепесток-переключатель на рулевом колесе. Здесь используется ротационный датчик, реагирующий на движение лепестка. Переключение передачи в коробке передач происходит по-другому, используя эффект Холла микропереключатели мгновенно переключают передачи.

Правила подробно регламентируют управление сцеплением. Важно, чтобы движение лепестка должно быть прямо пропорционально движению сцепления.

Для простоты использования применяются два лепестка: один, когда автомобиль занесло, другой на старте гонки.

Любая пробуксовка сцепления приводит к увеличению температуры сцепления, поскольку диски проскальзывают, и между ними возникает трение. Будучи сделанным из того же самого углеродистого волокна что и тормоза диски могут накаляться до красна, их температура поднимается до 900*С.

Чрезмерная пробуксовка перегревает сцепление, что преждевременно изнашивает пластины в результате окисления их поверхностей. С очень маленьким перемещением сцепления чрезмерное изнашивание вскоре превратит сцепление в непригодный механизм. Чтобы ослабить изнашивание и способствовать быстрому старту с малым буксованием колеса команды часто включают сцепление на относительно низкой скорости коленчатого вала для передачи меньшего крутящего момента.

Это отличается от стиля любителей быстрой езды, когда при максимальных оборотах резко включается сцепление. Такой агрессивный метод может привести к быстрому старту, но часто пробуксовка колеса и перегрев сцепления снижает последовательность старта.

Меньший крутящий момент, произведенный при 13000 об/мин., производит такой же старт, как и больший крутящий момент, но он более последовательный и не оказывает такого вредного воздействия на сцепление и трансмиссию.

Единственный раз, когда у пилота забирают контроль над сцеплением и отдают его электронной/гидравлической системе управления, это когда автомобиль обнаруживает потерю скорости. Если обороты слишком низкие для сцепления при его включении или когда автомобиль занесло, электронный блок управления — SECU обнаруживает снижение оборотов, а система препятствующая затуханию оборотов двигателя перестает работать. Тогда легальная электронная система выключает сцепление и увеличивает открытие дроссельной заслонки до повышенных оборотов холостого хода. При этом пилот должен возвратить систему в исходное положение для того, чтобы восстановить управление сцеплением.

Эти системы достаточно эффективны, редко можно увидеть удаленный болид потому, что он застопорился старте или после заноса.

Поиск точки нажатия

Во время прогревочных кругов часто можно услышать, как инженер просит пилота найти точку нажатия сцепления — Bite Point Find (BPF), это процедура при которой делается запись точки нажатия сцепления, для того, чтобы последовательность пусковых операций проводилось бы так быстро, как возможно.

Как и тормоза Ф-1, так и все диски сцепления изготовлены из карбонового волокна. Поскольку сцепление работает и нагревается, следовательно, изнашивается и изменяется в размерах, хотя незначительно. Значит, точка нажатия будет перемещаться, поскольку работа сцепления обуславливают изменения.

Точка нажатия является положением при движении деталей сцепления, когда сцепление начинает включаться и начинает передаваться крутящий момент от двигателя, хотя с небольшой пробуксовкой, поскольку сцепление еще не полностью включено.

Это как на дорожном автомобиле перед светофором, когда водитель медленно отпускает педаль сцепления, чтобы почувствовать, когда происходит нажатие, т.е. включение сцепления, для молниеносного старта при изменении сигнала светофора.

На рулевом колесе находится лепесток сцепления или BPF, благодаря которому отслеживается движение сцепления от привода благодаря эффекту Холла или индукционному датчику. Пилот медленно нажимает лепесток сцепления, и система отмечает точку, где происходит нажатие сцепления.

Это должно быть сделано при прогретом сцеплении, поскольку в этом состоянии оно больше не нагревается и не влияет на положение точки. По положению точки прижатия можно судить о выделении тепла, а значит и интенсивности износа.

Формула 1. Подробно о рабочем цилиндре сцепления

Каждый раз, когда болид Ф-1 приостанавливается или снова начинает двигаться сцепление должно работать. На автомобиле Ф-1 сцепление управляется не тросовым приводом, а гидравлической системой высокого давления. По требованию пилота передача перемещения сцепления на пружины сцепления осуществляется рабочим цилиндром сцепления. При кажущейся простоте выполнение такой задачи скрывает много трудностей.

Назначение

Во включенном по умолчанию положении сцепление зажато диафрагменной пружиной. Для выключения сцепления действие пружины должно быть прекращено, чтобы убрать давление с ведомого диска сцепления. Это действие обеспечивается рабочим цилиндром сцепления, маленьким гидравлическим устройством, установленным между двигателем и сцеплением.

Цилиндр сцепления (золотистый цвет) установлен в корпусе около сцепления.

Под воздействием гидравлического давления на цилиндр поршень начинает перемещаться и натягивать пружину, чтобы выключить сцепление.

Рабочие цилиндры у каждой команды и их расположение отличаются. Они могут быть как отдельным элементом, так и объединенным со сцеплением. Устройства обычно бывают или в виде треножного корпуса или полузакрытой цилиндрической установкой.

Рабочий цилиндр перекрыт

Нагруженный рабочий цилиндр натягивает пружину, что выключить сцепление

Устройство

Рабочий цилиндр является относительно простой деталью. Но ту существенную роль, которую он играет, чтобы болид был молниеносно быстрым и успешно начинал гонку означает, что к вопросам его конструкции надо подходить достаточно серьезно.

Цельная заготовка из металла (сталь или титан) должна быть механически обработана на станке с программным управлением, как обычно это делается со всеми гидравлическим соединениями Ф-1. Отверстие цилиндра также должно быть тщательно механически обработано, чтобы герметизировать жидкость внутри.

Внутри корпуса имеется перемещающийся поршень полый внутри для снижения веса и создания возможности штоку от двигателя находиться в нем. Наружная поверхность помещается внутри корпуса и зазоры должны быть герметизированы, чтобы удерживать давление. Для герметизации создается цилиндр между корпусом и поршнем. Поршень имеет фланец, который разделяет этот цилиндр, чтобы благодаря гидравлическому давлению поршень мог перемещаться вперед-назад в корпусе.

И корпус, и поршень остаются в статическом состоянии по отношению к вращающимся деталям, с которыми они соединены. Чтобы предотвратить вращение поршня соединительная тяга (шток) и расположение ползуна (сам поршень) сохраняется в соответствии с положением корпуса. Если поршень будет вращаться со скоростью коленчатого вала двигателя 18000 об/мин, это бы вскоре разрушило герметичность.

Поскольку рабочий цилиндр должен быть подсоединен к двигателю и сцеплению на скорости вращения коленчатого вала двигателя, хвостовая часть поршня (конец штока) сделана независимо вращающаяся на подшипниках. Получается, что скользящая поверхность цилиндра не вращается. Отдельно происходит передача скользящего движения и вращение.


Гидравлическое давление необходимо для двух функций: приводить в действие поршень или перекрывать поршень. Гидравлические магистрали привинчены к корпусу с каждой стороны фланца поршня. Пара выпускных ниппелей позволяет прокачать систему и удалить воздушную подушку с каждой стороны фланца поршня.

Для определения положения сцепления и направления данных в SECU (электронный блок управления) имеется пара датчиков расположенных сверху узла. Пара датчиков для того, если один выйдет из строя, второй его заменит. Они крепятся в высверленном отверстии корпуса и определяют движение соединительной тяги присоединенной к поршню.

И в заключение, из карбонового волокна направляющее устройство кабеля соединено с корпусом, что, по мнению наблюдателей, помогает удерживать гидравлические магистрали на корпусе. Эти очень маленькие кронштейны из карбонового волокна имеют удлиненные отверстия для прохождения кабельной связи, что помогает закреплять гидравлические магистрали.

Работа

Когда пилот нажимает на подрулевой переключатель сцепления, ротационный датчик на переключателе обнаружив движение посылает сигнал через интерфейс рулевого колеса в SECU. Электронный блок дает команду гидравлическому клапану открыться, чтобы дать возможность давлению воздействовать на рабочий цилиндр.

Один клапан направляет жидкость к какому–либо входному отверстию, чтобы привести в движение поршень или перекрыть его. Этот клапан, как правило, устанавливается наряду с другими назначениями коробки передач в единый гидравлический блок клапанов, размещенный рядом с коробкой передач. Гидравлическое давление создается насосом приводимым двигателем.

Жидкость будет создавать давление в одной из сторон цилиндра образованной корпусом и поршнем, затем действовать на фланец, чтобы переместить поршень пропорционально движению переключателя на рулевом колесе. Перемещение сцепления составит только4 мм, поэтому движение должно быть очень точным и строго контролироваться. Поскольку старт гонки всегда очень плотный, любые несогласования в приводе будет искажать точность движения сцепления и, следовательно, снижать скорость на старте.

Хотя рабочий цилиндр установлен между очень горячим двигателем и коробкой передач и рядом с сильно горячим сцеплением какая-либо охлаждающая система не применяется. Охлаждение происходит только воздушным потоком через воздухопроводы. Воздух отбирается или в воздухозаборнике или в воздухопроводе масляного радиатора.