Jaká jsou pozitiva a jaké komplikace může přinést?

Šlágrem posledních let v technice konstrukcí monopostů F1 je zřejmá snaha o kontinuální přenos točivého momentu z motoru na poháněná kola aniž by docházelo ke ztrátám při změnách převodových stupňů. Způsobů, které lze pro tento účel použít, je celá řada.

V minulosti se objevovaly konstrukce vycházející z principu podobnému variátoru, kdy se prakticky konstantní otáčky vstupu měnily na výstupu téměř lineárně (CVT, Williams), jiný systém využívá předvoleb zařazených rychlostních stupňů u vícehřídelových převodovek,  přičemž se využívá schopnosti rychlejšího připojení speciálními spojkami jednotlivých hřídelí k výstupu (diferenciálu) nežli by bylo samotné přeřazení z jedné rychlosti na druhou (Ferrari).

Ačkoliv je možno tyto principy konstrukčně doladit téměř k dokonalosti a mohly by být s úspěchem používány řadu sezón, přesto již dnes byly překonány systémem bezprodlevové změny převodového poměru. Konkrétní konstrukční řešení používané předními týmy využívající tento princip je sice stále předmětem přísného utajení; my si však můžeme ukázat na zjednodušené grafice, jak by některé komponenty bezprodlevové převodovky mohly vypadat.

Na následujícím obrázku vidíme jedno z možných uspořádání sedmistupňové převodovky, která je vybavena standartním řazením 1°, a bezprodlevovým řazením 2°-7°.

Obr. 1

Základní odlišnost bezprodlevové a konvenční převodovky je v uspořádání tzv. přesuvníků a jader. Tyto součástí mají za úkol spojit hnanou hřídel s hnanými koly, která jsou uložena točně s jedním stupněm volnosti vzhledem k hnané hřídeli (v obrázku bílou barvou). Naopak jádra (modrofialová) jsou s hnanou hřídelí spojena pevně drážkováním, a přesuvníky (na obrázku žluté a červené kroužky s radiálními trny) jsou vzhledem k jádrům posuvné v axiálním směru.

Vstup točivého momentu do převodovky dle obr.1 je z prava na horní (zelenou) hnací hřídel ve směru otáčení hodinových ručiček. Tato hnací hřídel na sobě nese jednotlivá hnací kola (tmavě zelená) tak, že tato kola tvoří s hnací hřídelí jeden pevný celek. Otáčí-li se hnací hřídel konstantními otáčkami, pak se hnaná kola na spodní hnané hřídeli budou otáčet různou rychlostí v závislosti na převodovém poměru jednotlivých rychlostních stupňů tak, že hnané kolo 1° se otáčí nejpomaleji, a hnané kolo 7° nejrychleji. Relativní úhlová rychlost otáčení hnaných kol dvou sousedních převodových stupňů je u současných převodovek monopostů F1 v rozmezí (0,055…0,060)*ωa. To znamená, že hnaná kola se vůči sobě otočí o úhel 30°deg při řadicích otáčkách 19.000 min-1 během 5 milisekund.

Sledujme chování dvojice hnaných kol při akceleraci např. ze 4° na 5°, spolu s jádrem a jednotlivými přesuvníky, na jednoduchém videu. Snahou je přenést točivý moment z hnaných kol, která jsou roztáčena hnací hřídelí, na jádro a dále na hnanou hřídel s jádrem spojenou (a dále pak na diferenciál):

Video zachycuje stav akcelerace, kdy na počátku pravý (červený) přesuvník spojuje jádro s kolem 4° (na videu vlevo) a současně je levý (žlutý) přesuvník přesunut do zubové mezery řadicích kamenů kola 5° (vpravo). Jádro je unášeno rychlostí odpovídající otáčkám hnaného kola 4°. Po určité době ‘doženou‘ řadicí kameny hnaného kola 5° (které se otáčí vzhledem ke kolu 4° rychleji) trny žlutého přesuvníku a počnou „bez prodlevy“ unášet jádro a tím pádem celou hnanou hřídel rychlostí odpovídající otáčkám kola 5°. Po další krátké době vlivem zrychleného pohybu jádra ‘doženou‘ řadicí trny pravého přesuvníku (červený) decelerační strany řadicích kamenů kola 4° a mechanicky se díky negativnímu úkosu na čelech vyřadí. V tomto momentě je korektně funkční 5° pro akceleraci a naše video končí. Ovšem řadicí procedura dále pokračuje tím, že se pravý (červený) přesuvník posune ještě dále ke kolu 5° a zajistí tak funkci převodovky i pro deceleraci (brždění motorem).

Za povšimnutí stojí, že levé kolo se (při akceleraci) přiřadí k jádru pravým přesuvníkem a pravé kolo levým přesuvníkem. Proto musí být konstrukčně tyto součásti vytvořeny tak, aby se navzájem dokázaly obejít a nekolidovaly. Jedno z možných konstrukčních řešení je na obr. 2 v ‚rozstřeleném‘ stavu.

Obr. 2

Na přesuvnících lze vidět dva typy úkosů: negativní, který má za úkol vyřazovat přesuvník ze záběru a opačný, prizmatický, který je otiskem prizmatického úkosu na řadicích kamenech jednotlivých kol a ten naopak udržuje přesuvník v záběru s kolem.

Video nám ukázalo, že proces přeřazení je u bezprodlevového principu poměrně komplikovaný a má čtyři fáze:

Fáze 1: Oba přesuvníky jsou vlevo a spojují levé kolo (v našem příkladě kolo 4°) s jádrem na akcelerační i decelerační straně, obr. 3

V pravé části obrázků můžete sledovat kótované vzájemné pozice středních rovin přesuvníků, jakož i jejich polohu vhledem k jádrům. Mezi prizmatickými plochami obou přesuvníků jsou „sevřeny“ čelní řadicí kameny hnaného kola ovšem tak, aby měly určitou úhlovou vůli.

Obr. 3

Fáze 2: Stále je zařazen 4°. Levý (žlutý) přesuvník má pro 4° funkci přenosu brzdného točivého momentu při deceleraci, takže při akceleraci je odlehčen. Proto jej lze velmi lehce bez odporu přesunout doprava; tím pádem se zařadí 5° pro akceleraci, obr. 4. V tomto okamžiku monopost není schopen decelerovat; ovšem trvání tohoto stavu se počítá na jednotky milisekund.

Obr. 4

Fáze 3: Po aktivaci 5° se odřadí pravý přesuvník decelerační hranou kola 4°, viz horní video.
Fáze 4: Pravý přesuvník se dořadí ke kolu 5° a aktivuje se tak převod i pro deceleraci.

Obr. 5

Podívejme se na popisovaný stav v kontextu hřídelové sestavy. Všimněte si polohy přesuvníků při jednotlivých akcích. Obrázky se stále týkají našeho příkladu při přeřazování ze 4° na 5° s tím, že začínáme bezprodlevově řadit již ze třetího stupně (sledujeme především prostřední sestavu jádra s přesuvníky). Všimněte si, že přesuvník přilehlý ke kolu má funkci decelerační; při akceleraci je odlehčen. Naopak přesuvník vzdálenější od kola přenáší točivý moment z kola na jádro při akceleraci; naopak při deceleraci je odlehčen. Tzn., že pravé (červené) přesuvníky jsou aktivní při akceleraci pro rychlosti 2°,  4°, 6° a naopak - levé (žluté) přesuvníky jsou aktivní při akceleraci pro rychlostní stupně 3°, 5° a 7°. Smysl otáčení hřídelí uvažujeme tak jak byl popsán při obr. 1 (nám bližší pohledová strana hnaných kol z obrázků ‚ubíhá‘ při otáčení dolů).

Obr.6   Zařazen 3° a současně 4°, akcelerace

Obr. 7   Zařazen 4° pro akceleraci i deceleraci

Obr. 8   Zařazen 4° a současně 5°, pouze akcelerace

Obr. 9   Dořazen 5° pro akceleraci i deceleraci

Popsaný bezprodlevový princip umožňuje plynulé řazení směrem nahoru i dolů.

Až dosud vypadá popis řazení jako procházka růžovou alejí; jenže ani tento způsob řazení není zcela bez komplikací. Totiž při sledování drah přesuvníku jednoho jádra je vše v pořádku, a k havárii převodovky nemůže vzhledem ke geometrii úkosů vlivem současného „tvrdého“ spojení dvou hnaných kol dojít. Jestliže ovšem proces řazení přechází z jednoho jádra na druhé, musíme zabezpečit odřazení deceleračního přesuvníku přilehlého k hnanému kolu aktivního rychlostního stupně dříve nežli předvolíme vyšší převodový stupeň na novém jádru. Nejlépe si tento případ ukážeme na obr. 6. Ten zobrazuje situaci, kdy je zařazen 3° pro akceleraci, ovšem decelerační přesuvník (červený) přilehlý ke kolu 3° je odřazen do polohy neutrálu. Současně je zařazen 4°, a vlivem urychlení otáčení jader při jeho aktivaci (tj., když ‘doženou‘ řadicí kameny kola 4° radiální trny pravého (červeného) přesuvníku prostředního jádra mezi koly 4°/5°) se původně akcelerační přesuvník (žlutý, zcela vlevo) hnaného kola 3° mechanicky odřadí do polohy neutrálu a vše proběhne korektně. Představme si ale případ, že by se decelerační přesuvník neodřadil, například dle obr. 9. Zde je zobrazen případ zařazení 5° pro akceleraci i deceleraci (přičemž přesuvníky jsou ve stejné poloze jako např. i na obr. 5). Pokud bychom nyní přetáhli pravý přesuvník (červený) doleva za účelem zařazení 6° (na obr. 9 je přesuvník zcela vpravo) aniž bychom předtím odřadili pravý decelerační přesuvník (červený)  přilehlý ke hnanému kolu 5°, pak dojde k současnému propojení hnaných kol převodu 5° a 6° (uvědomme si, že řadicí kameny kola 5° jsou „uzamčeny“ oběma přesuvníky tak, jak ukazuje obr. 5) a k neodvratné havárii převodovky (porovnej pozici přesuvníků mezi koly 2°/3° z obr. 6 a pozici přesuvníků mezi koly 4°/5° z obr. 9. Na obr. 6 je již kreslen případ přípravy k zařazení 4°, ovšem na obr. 9 fáze přípravy k řazení 6° dosud neproběhla).

Technicky to znamená, že při řazení nahoru (v akceleraci) musíme bezpodmínečně zajistit nejprve odřazení deceleračního přesuvníku u lichých rychlostních stupňů (pro případ konstrukce dle obr. 1), a potažmo při podřazování směrem dolů se musí nejprve odřadit akcelerační přesuvníky u sudých rychlostních stupňů (to by v podstatě byla jakási nultá fáze nahoře popsané řadicí procedury).

Zbývá se zmínit o způsobu polohování jednotlivých přesuvníků. Zde je nepřeberná škála možností; nejpravděpodobnější je polohování hydraulické tak, že do přesuvníku zapadá řadicí vidlice, která je spojena s pístní tyčí současně tvořící píst hydraulického obvodu (převodovka z našeho popisu by měla 7 řadicích vidlic). Je důležité si uvědomit, že pohyb vidlic nelze řídit řadicí kulisou s vyfrézovanými drahami, poněvadž dráhy vidlic pro řazení nahoru neodpovídají drahám pro řazení dolů.

 Vidíme tedy, že život převodovky velmi úzce závisí na schopnosti hlídat polohy řadících vidliček a softwareově ohlídat okamžik řazení. Zde bude pravděpodobně prvopříčina havárií řady bezprodlevových převodovek v počátcích jejich vývoje. V každém případě je ovšem bezprodlevový systém řazení velmi významným a nepřehlédnutelným technickým počinem posledních let, o němž budeme jistě v budoucnu ještě mnohé slýchat.