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:一级方程式传输

  一级方程式传输 在过去,用于中置发动机的后轮驱动赛车变速箱的齿轮轴纵向安装在差速器后面。这种设计仍然在F1以下的公式中占主导地位,任何对这些单位感兴趣的人都应该参考Hewland的优秀网站。 这种方法的第一个变化是法拉利在2003年开始与劳达一起获胜的312T系列赛车,最终在Scheckter和维伦纽夫的1979年冠军赛季中占据了顶峰。这些汽车的齿轮轴横向安装在差速器前面。这种布局的明显好处是由于质量在轴距内而减小了偏航惯性矩。 由于地面效应空气动力学指示窄齿轮箱,这种变化并未得到普遍采用。然而,布拉汉姆使用的Pete Weissmann出色的横向设计值得注意,Van Valkenburgh对此进行了讨论。 在整个20世纪80年代,大多数团队仍在使用Hewland风格的变速箱。其原因包括简单的可维护性,以及涡轮增压和复合底盘技术,现成的Hewland FGB是一个不会出错的可靠组件。 有趣的是,这是涡轮机时代的结束,标志着内侧横向变速箱的全面采用。面对较重的大气V8发动机以及维持涡轮增压汽车重量分布的愿望,威廉姆斯车队的恩里克斯卡拉布罗尼和贝纳通的戴夫沃斯和保罗克鲁克斯创造了新一代的横向变速箱,很快就会成为最先进的。 横向内侧变速箱的使用一直持续到90年代中期,但在伊莫拉悲剧之后,FIA极大地限制了扩散器的空气动力学。 为了优化扩散器,必须缩小其前面的车身,以确保现在关键的中央部分充分供应空气。缩小变速箱再次成为关键的设计目标,或许比70年代末和80年代初的隧道车时代更为重要。 因此,纵向齿轮箱又回来了,但这次是以舷内装饰。表壳结构的重要发展巩固了这一变化,在现代一级方程式赛车中,每支车队都配备了一个内侧纵向变速箱。 Xtrac的下图显示了基本布局。来自离合器的输入轴具有永久固定在其上的六个比率或在某些情况下为七个,并且这些比率驱动输出轴上的六个相应比率。输出轴比率不会锁定在轴上,而是在轴承上运行。为了将输出齿轮锁定到轴上并因此接合该齿轮,齿圈通过选择器叉滑动,并且齿与齿轮本身上的相应特征接合。这个戒指被称为狗圈,牙齿被称为“狗”。 一旦一个齿轮啮合,输出轴将旋转并将驱动传递到差速器。显然,驱动器必须旋转90度,这是通过传统的锥齿轮组完成的。进一步的正齿轮减速具有双重目的,即允许更大的自由度来定位差速器并允许初级比率旋转更接近发动机速度,这减小了它们需要的扭矩负载。它还允许18,000rpm +发动机在不增加齿轮尺寸的情况下进行更大的减速。 在现代F1发动机的800多马力到达变速箱之前,必须通过离合器。现代F1手拿包的尺寸非常小巧。记录最多的单位是法拉利使用的110毫米直径萨克斯单位。 Sachs离合器采用线材侵蚀钛合金保持架和多个碳纤维增强碳板与碳制动盘和垫片相同的材料。现在,驱动器笼直接焊接到飞轮上,驱动板的直径仅为97mm。该装置的总质量仅为830克! 最新一代的F1离合器是拉动式而非推动式。这允许移除支点板,这进一步节省了质量。
齿轮 齿轮是直切的。其主要原因是它是最有效的传输方式。避免了由螺旋齿轮产生的轴向载荷引起的过大摩擦。 齿轮的齿为渐开线形式。这确保了齿与齿的接触产生共轭作用,因此当齿之间的角度改变时速度比保持恒定。 渐开线直齿轮的设计实际上是您在机械工程设计中学到的第一件事。因此,有许多资源可用。我在网上找到的最有用的是Boston Gear网站上的齿轮设计手册。 像这样的齿轮所需的材料特性是不可思议的高强度,高刚度,韧性和良好的抗疲劳性。最合适的材料是SAE 4340镍铬钼钢的热处理改性形式,通常称为300M。轴也由这种材料制成。
轴承 直切齿轮不产生轴向力,因此输入轴仅需要从径向角度看正位置。这是使用圆柱滚子轴承完成的,其中硬化的齿轮轴用作内圈。 输出轴更复杂,因为它必须承受由于斜面传递齿轮传动而产生的大的轴向推力。通常使用与锥齿轮相邻的双列圆锥滚子或角接触球轴承,其承受所有轴向载荷。浮动圆柱滚子轴承在另一端提供径向支撑。 虽然这种浮子允许在温度升高时轴向膨胀,但是保持双列轴承在壳体中旋转的要求意味着需要非常大的压配合。这些配合可以消除轴承中的所有间隙,这可能会损坏轴承,这也是F1变速箱在使用前预热的原因。 德国Cerobear公司率先推出的这一问题的解决方案是使用带法兰外圈的混合轴承。下图显示了新安装。轴承的外圈是法兰,用螺栓固定在变速箱壳体上。这提供了轴承的旋转位置而没有压配合。通过拧紧将内圈固定到轴上的螺母,可以精确地控制轴承所需的轴向预载荷。 这些轴承被称为混合轴承,因为它们使用氮化硅陶瓷球和PEEK聚醚醚酮笼与传统的钢种一起使用。类似的单元用于轮毂。 混合轴承的另一个优点是它们实际上在没有直接供油的情况下运行得更好。由齿轮旋转产生的油雾通常是足够的,这可以减少油的使用目前一箱使用约1.5升。
变速箱外壳 F1赛车的变速箱外壳具有重要的双重功能。首先,必须正确定位变速箱部件,以确保其正确运行。其次,它必须在扭转和弯曲时都是刚性的,因为它是车辆底盘的一个组成部分,必须接受空气动力和悬架载荷。 这两项任务必须在升高的温度下实现,即高于100°C。镁是多年来首选的材料,因为它具有低密度和良好的可铸性,但其模量低于铝的模量。 铝可能是比镁更好的材料,因为它的刚度特别是对较窄纵向套管的要求。不幸的是,铝铸件砂型铸造的最新技术不允许足够薄的壁部分来制造有效的壳体。这种情况在1993年发生了变化,当时索伯和泰瑞尔利用新的压铸技术开发出一种薄壁铝制外壳。 就高温性能而言,复合材料和钛合金对于该应用是有吸引力的。随着高温环氧树脂的出现,碳复合材料可以在高温下操作,并且需要低的热膨胀系数。钛在高温下非常稳定,但难以铸造和焊接。 法拉利开始用这两种材料进行创新。使用TIG焊接钛板和机加工板部分,John Barnard创造了一个坚硬轻便的主箱,并使用模制碳纤维作为端箱和钟罩。由于钛和CFRP部分之间的螺栓连接,出现了问题。这些接头处于垂直平面内并且导致整个壳体的扭转刚度降低。已经进行了修改以使这些接头成为有角度的平面,并且混合CFRP Titanium外壳已经成功地将法拉利带到了驾驶员和构造者的头衔。 另一项现有技术是米纳尔迪使用的压铸钛外壳见图。如果没有立体光刻快速原型技术,这种情况就不会存在。可以首次铸造具有底切和凹入特征的复杂形状,而Minardi表壳既是整洁又结构高效的设计。 Arrows和Stewart碳纤维箱的可用信息非常稀少。很明显,原始的Arrows表壳具有完整的碳纤维表皮,但保持齿轮轴和轴承的元件由钛加工而成。
半自动和自动换档 在超窄型公式车中,需要从驾驶舱到后置变速器获得机械齿轮连杆多年来一直是设计师面临的一个问题。 制造圆柱形隧道通过燃料电池以适应连接的极其不优雅且难以制造的解决方案显然激怒了John Barnard,他的细节设计具有传奇色彩。当他于1987年到达法拉利时,他决定将莲花用于电动液压系统用于主动悬架,并将该技术应用于换档。 使用现在众所周知的方向盘后面的桨叶布置,Barnard将它们连接到伺服阀MOOG Type 35和四个执行器上。四个执行器用于三个单独的选择杆和一个单独的执行器用于反向。这意味着可以按任何顺序选择任何档位。 最初,该系统还采用全自动升档运行,即转速限制器被击中并且发生了升档。实际上,在测试驾驶员的要求下,这种自动化被移除了,如果他需要更多的发动机控制,他可以更灵活地进行短距离换档。 这些早期半自动音箱的降档就像手动一样,转速必须由驾驶员和手动使用的离合器匹配。与环形控制系统相反,致动器是简单的开关。 法拉利的新技术首次在1989年由Mansell驾驶的巴西大奖赛中获胜,Mansell也在今年晚些时候在匈牙利获胜。 当其他车队开始开发类似系统时,换挡速度使他们感觉到像摩托车中发现的顺序机构可能更紧凑并且只需要一个执行器。威廉姆斯在FW14上做出了这一改变,这就是半自动汽车的方向。 最后一步是控制降档同步的一种方法。电液节流阀的到来允许计算机控制的灯芯代替脚跟和脚趾技术。
此时,国际汽联介入并表示油门和离合器只能在换挡期间从驾驶员控制中取出,并且每次换档都需要驾驶员的离散控制输入。此时,半自动变速箱的升档和降档遵循以下一般模式: 上移 在没有离合器和全油门的情况下进行升档。当发动机环脱开时,发动机管理系统用于延迟点火以使发动机减速。 当换档速度在0.02秒的范围内时,发动机实际上不能减速到足以正常同步,下降在600rpm的范围内,相对于1500到2000rpm之间的所需下降。 由此产生的多余能量被传递到车轮,有助于加速。然而,这会使汽车不稳定,因此必须根据车辆稳定性来换取换档速度。 因此可以合理地假设潮湿中的升档故意比变速器能够慢。
降档 在节气门关闭和离合器的情况下执行降档。驾驶员抬起脚不会关闭油门,而是通过线控驱动系统关闭油门。因此,在驾驶员直接使用踏板的情况下,降档是全油门。 当要求换档时,发动机将在给定道路速度和新档位的情况下旋转的转速,如果超过转速限制,则换档被拒绝并且驾驶员必须轻弹拨片以重新请求换档。 关闭节气门并启动离合器以卸下挡圈。为了使齿轮轴速度同步,节气门自动闪烁,然后选择器鼓旋转。降档比0.05秒左右的升档要慢,但防止后轮锁定是比换档速度更重要的目标。 上面的段落描述了所有F1车队在今年西班牙大奖赛之前使用的系统。现在规定允许通过汽车上的计算机控制系统完全控制换档,油门和离合器致动。 这些变化不会对变速产生太大影响在我看来,即使是最差的驾驶员也可以在正确的球场中获得发动机转速,这样系统就不会拒绝变速。唯一的变化是驾驶员的反应时间从降档序列中消除。 为了允许通过跳过齿轮自动地转换到期望的齿轮的自由度将需要回复到单独的致动器和换挡轨道以替换顺序布置。我不认为从系统质量和包装考虑的角度来看会发生这种情况。

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