Шкатулка, полная скоростей
                    |
Двухместные автомобили имели классическую компоновку: расположенный впереди двигатель в блоке с коробкой передач соединялся с задним ведущим мостом карданным валом. Этот вал проходил как раз между узкими сиденьями, подушки которых находились буквально на полу кузова. О конструкции коробки передач тогда инженеры задумывались мало, у них и без того хватало проблем. Долгое время она оставалась практически неизменной, чаще всего трехвальной с прямой высшей передачей. Основное внимание уделялось подбору передаточных чисел, повышению надежности и точности переключения. Этот ранний, достаточно примитивный период развития гоночных коробок передач закончился, когда на сцену вышли машины с кузовом "монопосто” – одноместные гоночные автомобили. Размещение сиденья гонщика над карданным валом означало увеличение лобовой площади. Довольно быстро появились компоновочные схемы, когда двигатель размещался впереди, но немного под углом к продольной оси автомобиля, так, чтобы карданный вал проходил сбоку от сиденья. Гонщик сидел буквально на полу кузова, а позади него поселилась коробка передач, потому что вошедшая в моду независимая подвеска колес не оставляла другого решения.
Чаще всего такие коробки передач приходилось объединять в одном картере с главной передачей. Наиболее выгодным конструкторы сочли поместить коробку так, чтобы ее валы располагались поперек машины. Тогда коническая прямозубая пара получала место на входе в коробку. На выходе из коробки вращение передавалось на цилиндрическую шестерню, объединенную с дифференциалом, от которого шли полуоси к независимо подвешенным задним ведущим колесам.
Коробки передач с поперечными валами имели несколько большие внутренние потери, чем коробки с продольными валами – большее количество валов и шестерен "взбивали” масло. Этот недостаток сводился к минимуму, если применялась система циркуляционной смазки с самостоятельными насосом и маслобаком. Однако при поперечных валах возникали трудности с быстрой заменой набора шестерен во время квалификационных заездов. Чаще всего заменяли пару шестерен, непосредственно связанных с дифференциалом.
Объединение с главной передачей коробки передач с продольными валами потенциально позволяло избавиться от трудоемкой замены шестерен, но никому из конструкторов второго периода, который господствовал до начала 60-х годов, оптимального решения в рамках данной схемы найти не удалось.
Когда в 1934 году увидели свет гоночные заднемоторные автомобили Auto Union, их силовой агрегат объединял последовательно двигатель, сцепление, главную передачу и коробку передач. Последняя физически представляла собой крайнюю заднюю оконечность машины. Это позволило так скомпоновать двухвальную коробку передач, чтобы можно было, сняв ее заднюю торцевую крышку, быстро демонтировать задние подшипники валов и заменить нанизанный на них комплект шестерен. Коническую пару при этом не трогали, и регулировка затяжки ее подшипников и зазоров шестерен главной передачи сохранялась.
Диапазон необходимых изменений передаточных чисел главной передачи равен 1,3–1,6. Можно скомплектовать несколько наборов сменных шестерен коробки, которые укладывались бы в этот диапазон. Для четырехступенчатой коробки в этом случае требовался комплект из полусотни сменных шестерен. Процесс замены занимал 25–30 минут. К подобной конструкции для любой коробки, сблокированной с главной передачей и имевшей продольные валы, пришли в начале 60-х годов.
Увлечение синхронизаторами, начавшееся в середине 30-х годов, оказалось полезным лишь для дорожных легковых машин. На гоночных синхронизаторы не только утяжеляли коробку, но и заметно замедляли процесс переключения. А вот другое новшество 30-х годов, не получившее широкого распространения на легковых машинах, на гоночных проявило свои немалые достоинства. Речь идет о так называемых преселективных коробках передач Wilson и Cotal. У них водитель заранее (предварительно) "взводит” рычажок переключения на нужную передачу – производит "предварительную селекцию” (преселекцию). Затем, в нужный момент нажатием на педаль сцепления включает ее. Процесс переключения заметно ускорялся, но сами преселективные коробки были более тяжелыми, чем традиционные.
Год от года гоночные двигатели становились все более форсированными, и рабочий диапазон их оборотов не только резко сужался, но и сдвигался все выше и выше. В конце концов диапазон передаточных чисел в коробках передач сузился до значения 2,1–2,2. Более того, для старта передаточное число низшей, первой передачи приходилось делать "оторванным” от других передач. Но и его значение было мало для уверенного троганья с места, чем и предопределилась манера старта – с плавной пробуксовкой ведущих колес. Надо заметить, что разрывы между соседними передачами по передаточным числам сделались столь малы, что стало возможным переключать передачи, чуть сбрасывая газ и не пользуясь сцеплением.
Все эти особенности относятся ко второму этапу развития коробок передач, который можно называть революционным. Следующий, третий этап охватывает период с 1960 по 1970 годы. Для него характерно полное доминирование заднемоторной компоновки по схеме: двигатель – главная передача – коробка с продольными валами. Именно в этот период было найдено оптимальное инженерное решение, позволявшее производить быструю замену шестерен. Произошло это почти случайно.
Небольшая английская фирма Hewland, которая изготовляла различные детали по заказам гоночных команд, имела технологическое оборудование для изготовления шестерен, шлицованных валов, зубчатых муфт переключения и их термообработки. Но литейным оборудованием она не располагала и решила использовать серийные картеры коробки передач, сблокированной с главной передачей. Выбор пал на очень жесткий картер коробки передач Volkswagen второго поколения. Отлитый из магниевого сплава, а поэтому очень легкий, он имел не продольную плоскость разъема, а поперечную. Та его часть, которая вмещала валы и шестерни, имела форму колокола, в поперечной стенке которого были зафиксированы подшипники с валами. На эти валы нанизывался любой набор шестерен. Таким образом, "фольксвагеновский” картер на много лет предопределил концепцию коробок Hewland. Эта фирма вплоть до начала 80-х годов практически оставалась монополистом в области коробок передач заднемоторных гоночных автомобилей, хотя заводы ZF (ФРГ) и Colotti (Италия) тоже работали в этой области.
Однако если в 1961–1965 годах на машинах Формулы-1 применялись двигатели рабочим объемом 1500 куб. см, то с 1966 года он вырос вдвое (до 3000 куб. см). Как следствие, вырос крутящий момент (с 200 до 350 Нм), которым нагружались подшипники, валы и шестерни в коробках передач этих машин. Межцентровое расстояние валов увеличилось с 65 до 89 мм, вес с 31 до 42 кг. Но, пожалуй, поворотным моментом в эволюции коробок передач стало создание в 1967 году… гоночного двигателя Ford Cosworth DFV. Дело в том, что этот мотор был задуман несущим. Его картер передним торцом жестко крепился к несущему корпусу машины. К заднему же торцу жестко пристыковывался картер трансмиссии (сцепления, главной передачи и коробки передач), который нес на себе приливы для присоединения рычагов, пружин и амортизаторов подвески задних колес. Следовательно, картеры двигателя и трансмиссии воспринимали добавочно не только все нагрузки от задней подвески, а также тяговые и тормозные реакции, но и должны были обеспечивать всей несущей системе балочную (в трех направлениях) и крутильную жесткости. Словом, картина нагружения картера трансмиссии и вся его конструкция кардинально менялись.
Хотя Hewland продолжал создавать новые модели семейств FGB и DGB, свои услуги начали предлагать другие фирмы – Weissmann, например. Так пришло время четвертого этапа – силовых картеров. Этот период характеризовался не только новым видом нагрузок. Наступила эра турбодвигателей, когда появились 1000-сильные моторы с крутящим моментом 550–650 Нм. Нагрузка столь возросла, что, например, шестерни первой передачи стали деталями "одноразового пользования” – на старте они нередко работали (пусть кратковременно!) за пределом текучести материала, а увеличение их размеров оказывалось нецелесообразным – увеличение веса всего узла и т.д. И еще одна особенность четвертого этапа эволюции – возросшее влияние аэродинамики на конструкцию гоночного автомобиля.
Прогресс в конструкции антикрыльев и других устройств, увеличивающих прижимную силу, привел к резкому (в 2,5–3 раза) улучшению сцепления с дорогой ведущих колес. Как следствие, при торможении двигателем детали трансмиссии нагружаются увеличившимся в той же пропорции тормозным моментом и должны быть сделаны более прочными и, отчасти, более тяжелыми. Стремление конструкторов придать диффузору в задней части машины более выгодные с точки зрения аэродинамики формы время от времени заставляло их обращаться к коробкам передач с поперечными валами. В качестве примера назовем 5-ступенчатую коробку передач на Ferrari 312Т 1975 года. За ней последовала "поперечная” коробка передач Williams 1988 года, интересная тем, что она размещалась не позади, а перед главной передачей. Она не только упрощала придание выгодной формы аэродинамическим дефлекторам в задней части автомобиля, но и создавала простор для размещения выпускных труб.
Наконец, небезынтересны усилия команды McLaren, которая уже в 1984 году отказалась заказывать валы и шестерни Hewland. Собственные зуборезное и термическое отделения открыли возможность не только оперативно изготовлять детали собственной конструкции, но и исключить поставку аналогичных шестерен и валов другим командам. Именно таким путем много лет идет команда Ferrari, пресекая утечку информации о конструкции трансмиссий своих автомобилей. Примеру лидеров последовали и другие "конюшни”.
McLaren, когда на ее автомобилях появились двигатели Honda-RА168Е с низко расположенным коленчатым валом, сконструировала очень легкую трехвальную (редкость в последние годы) коробку передач. Трехвальная коробка компактней и легче двухвальной. Примененная на McLaren, она зарекомендовала себя исключительно надежной. В том числе благодаря и этому в 1988 году MP4/4 выиграли 15 этапов чемпионата мира из 16.
Как видим, конструкция коробки передач является звеном в неразрывной цепи инженерных решений, из которых складывается гоночный автомобиль. В то же время она подчиняется определенным ограничениям, которые накладывают действующие технические требования к автомобилям Формулы-1. Они ограничивают наибольшее количество передач семью, допускают привод только на задние колеса, требуют обязательного наличия передачи заднего хода, разрешают применение только полуавтоматических трансмиссий.
Впервые коробка передач с полуавтоматическим переключением появилась в 1989 году на Ferrari 640. По существу, это преселективная коробка, где переключением, а также синхронизацией подачи газа и выжима сцепления управляет микропроцессор, а не сложная механическая система. Это такой же скачок, как переход от арифмометра к калькулятору.
Команда на переключение передач подается кнопками на руле или подрулевыми рычажками. Электрический сигнал управляет электрогидравлическими клапанами, которые распределяют жидкость, подаваемую под давлением к исполнительным гидроцилиндрам. Последние передвигают в коробке соответствующие штоки и вилки. Новая система переключения быстро нашла последователей: Williams в 1991 году, McLaren MP4/7A в 1992 году и другие. Время переключения сокращается в 2–2,5 раза (до 0,11 секунды) и, помимо этого, позволяет гонщику переключать передачи, не снимая рук с руля.
Внедрение электрогидравлического переключения передач знаменовало собой наступление пятого – "полуавтоматического” этапа развития коробок передач. Что же дальше?
Литровая мощность двигателей Формулы-1 поднялась до 280 л.с./л (и это для моторов без наддува!), а число оборотов для двигателей с рабочим объемом одного цилиндра в 300 куб. см уже перевалило за 17 000. Нетрудно предположить, что в ближайшие годы рабочий диапазон двигателей по оборотам станет еще уже и еще больше сдвинется вверх. В этой ситуации неизбежен приход бесступенчатых вариаторов. Скорее всего, это будут механизмы с раздвижными шкивами и "ремнями” из стале-керамических звеньев. Возможно, крутящий момент будет поступать к ведущим колесам двумя силовыми потоками; регулирование их распределения будет возложено на микропроцессор. При этом второй силовой поток будет использоваться при разгонах и будет направляться полуавтоматической коробкой передач традиционного ныне типа.
Лев Шугуров
Журнал "Формула-1" январь, 2001
