이글은 클러치에서 디프까지의 모든 변속기 부품을 검토해 보기 위함이다. 이 부품들에는 기어, 샤프트, 베어링 및 케이스가 포함된다.
LAYOUT:
과거 미드엔진 변속기에서 후륜 구동 레이싱 카는 기어 샤프트를 디프 뒤로 종치 시켰다. 이 설계는 여전히 F1포뮬러에서 우세를 나타내고 이런 유닛에 관심 있는 사람은 Hewland의 뛰어난 웹사이트를 참고해야 한다.
이러한 관점에서 주목할 첫번째 변화들은 1975년 라우다에서의 승리를 시작으로 Scheckter 와Villeneuve의 1979년 챔피온쉽 시즌 우세가 극에 달했던 우수한 페라리의 312T 급의 차들이다. 이 차들은 기어 샤프트를 디프 앞에 횡으로 장착하였다. 이 레이아웃의 확실한 장점은 휠베이스 사이의 질량으로 인한 요잉( 차량 Z 방향으로 회전 : 역자) 관성 모멘트가 줄어든다는 것이다.
이 변경은 공기 역학의 폭이 좁은 변속기를 요구하는 그라운드 효과 때문에 광범위하게 도입되지 않았다. 그러나 Brabham의해 사용되고 Van Valkenburgh 에 의해 검토된 Pete Weissmann의 환상적인 횡치 설계는 주목할 만하다
1980년대 내내 휴렌드 스타일 변속기는 메이저 팀에서 사용되었다. 이러한 이유에는 단순한 정비성 및 터보와 복합적인 샤시 기술을 포함하여 휴렌드 자체에서 나오는 FGB가 쉽게 파손되지 않는 신뢰성 있는 부품이었기 때문 이다.
흥미롭게도 이것이 내부 횡치 변속기를 전체 크기로의 도입 신호를 보내는 터보 시대의 마지막이었다. V8의 더욱 무거운 공기와 터보 차량의 무게 배분을 유지하려는 욕구에 직면하여 위리엄의 Enrique Scalabroni과 베네통의 Dave Wass 과 Paul Crooks는 예술 경지의 신세대 횡치 변속기를 창조하였다.
내부 횡치 변속기의 사용은 90년대 중반 까지 계속되었지만 이몰라 비극 이후 FIA는 에어로 디퓨져 다이나믹을 적극 제한하였다.
디퓨져를 최적화 하기 위하여, 이제 임계 중앙 단면에 적당히 공기가 공급 되어지도록 디퓨져 앞의 바디작업을 좁게 할 필요가 있게 되었다. 변속기 폭을 좁히는 것은 다시 한번 중대한 설계 목표가 되었고, 아마도 70년대 후반과 80년대 초반의 터널 카 시대까지 계속되었다..
따라서, 이 시기가 인보드 시대였지만 종치 변속기로 돌아갔다 케이스 구조에 있어서 중요한 발전은 현대 포뮬러 원의 모든 팀이 인보드 길이방향 변속기를 운영하는 변화를 접목시켰다.
다음 다이어그램은 엑스트랙의 기본적인 레이아웃을 나타낸다. 클러치부터 인풋샤프트는 6속비로 (어떤 경우엔 7속) 해당 6속비의 아웃풋 샤프트에 영구 고정이다. 아웃풋 샤프트 비는 샤프트에 물려 있지 않고 베어링 위에서 회전한다. 아웃풋 기어를 샤프트에 물리기 위하여 치가 형성된 링을 갖는 기어가 셀렉트 포크에 의해 슬라이드하여 결합되면 기어치가 해당 기어 자체와 치합된다. 이 링을 도그링이라고 부르며 그 치(齒)를 도그라고 부른다.
일단 한 기어가 아웃풋 샤프트에 결합되면 회전하고 디프에 구동력을 전달한다. 확실히 구동은 90도 꺽여야 되며 이것은 종래의 베벨기어 세트에 의해 수행된다. 게다가 스퍼기어 감속은 디프 위치 선정의 자유도를 더 허용하고, 필요한 토오크 부하를 감소시켜 주 기어비가 엔진 회전수에 가깝게 회전하는 것을 허용하는 2 가지 목적에 기여한다. 이것은 또한 기어의 크기를 증가시키지 않고 18000rpm 이상의 엔진 회전수가 요구되는 더 큰 감속비를 허용한다.
윤활은 인풋 샤프트에 의해 구동 되는 Gerotor형식의 펌프에 의해 공급된다. 이 시스템의 부품을 이해하기 위하여 우리는 각각을 돌아가며 살펴볼 것이다.
CLUTCH:
현대 F1엔진의 800마력 전후의 동력은 변속기와 균형을 이루며 클러치를 경유하여야만 한다. 현대 F1 클러치는 그 크기가 놀랄 만큼 작다. 매우 자주 문서상으로 증명된 것은 페라리에서 사용되는 직경 110mm의 Sachs 제품이다
Sachs 클러치는 와이어 부식에 의한 티타늄 케이지와 카본 섬유로 강화된 카본 다판 플레이트 (카본 브레이크 디스크와 패드와 같은 재질)를 사용한다. 구동 케이지는 플라이 휠에 직접 용접 되어 있으며 직경이 단지 97mm이다. 전체적인 무게는 830g 밖엔 안된다.
가장 최신 세대의 F1클러치는 푸시 타입이 아이라 풀 타입이다. 이것은 플레이트의 지렛대를 제거할 수 있어 무게 절감이 가능하다.
GEARS:
기어들은 평치차이다. 이것의 주된 이유는 동력 전달 방법에 있어서 가장 효율적이라는 것이다. 축방향 하중으로 인한 과도한 마찰을 발생하는 헬리컬 기어는 피한다.
기어들의 치는 인벌루트 형태이다. 이 형태는 치와 치 접촉이 쌍으로 이루어져 치 사이의 각도가 변하여도 속도비를 일정하게 유지한다.
인벌루트 스퍼 기어의 설계는 실제 기계기구 설계에 있어서 당신이 배워야 할 첫번째 사항이다. 결론적으로 말하면 많은 자료 이용이 가능하다. 온라인 상에서 내가 발견한 가장 유용한 것은 보스톤 기어 웹사이트의 기어 설계 매뉴얼이었다.
기어의 재질 특성은 당연히 고강도 높은 경도, 및 좋은 내피로성이 요구된다. 가장 적당한 재질은 열처리 개량된300M이라고 불리는 SAE 4340 니켈 크롬 몰리브덴 강이다.
BEARINGS:
스퍼기어는 축방향 힘을 발생시키지 않기 때문에 인풋샤프트는 레이디얼 관점에서 전방 위치만을 요구한다. 이것은 경화된 기어샤프트가 내륜 역할을 하는 원통 로울러 베어링을 사용하여 행해진다.
아웃풋 샤프트는 베벨 기어에 의해 발생하는 더 큰 축방향 힘을 받기 때문에 더욱 복잡하다. 일반적으로 축방향의 하중을 모두 수용하는 복열 테이퍼 로울러나 앵귤러 볼 베어링이 베벨기어 다음에 사용 된다.
반면 온도가 올라갈수록 이 흔들림은 축방향으로 확장을 허용한다. 케이스 내부에서 계속 회전하는 복열 베어링의 필수 조건은 매우 높은 정도의 억지 끼워 맞춤이 요구 된다는 것을 의미한다. 이 끼워 맞춤은 베어링을 손상 시킬 수 있기 때문에 F1 변속기에서는 조립 전에 미리 열을 가하며 베어링의 모든 흔들림을 제거한다.
이 문제에 대한 해결책이 독일 회사에 의해 시도되었다. Cerobear 는 외륜에 플렌지가 달린 하이브리드 베어링을 사용하였다. 아래 그림은 새로운 베어링이 장착된 형상을 나타낸다. 베어링의 외륜은 변속기 케이스에 볼팅되는 플렌지이다. 이것은 억지 끼워 맞춤이 없는 베어링 장착을 제공한다.베어링에서 요구되는 축방향 예압은 샤프트에 대해 내륜을 보호하는 조임 너트에 의해 정확하게 조정될 수 있다.
CASE:
F1 차량의 변속기 케이스는 두 가지 기능 면에서 중요하다. 첫째, 변속기 부품들을 잘 배치시켜 각 부품들이 정확하게 작동하도록 하는 것이다. 둘째, 차량 샤시에 있어서 필수 불가결한 부품이며 공기 역학과 서스펜션 하중을 수용해야 하기 때문에 비틀림과 굽힘에 대해 견고해야만 한다..
이 두 가지 과제는 100도 이상의 고온에서 만족해야 한다. 마그네슘은 낮은 밀도와 좋은 주조성 때문에 오랜 기간동안 대안 재질이었지만 비율이 알루미늄 예보다 낮다.
알루미늄은 아마 강성 측면 특히 폭이 좁은 종 방향 케이스가 요구 되는 곳에 있어서 마그네슘보다 좋은 재질일 것이다. 불행히도 알루미늄 주조 (사형 주조)의 예술의 경지에서 효율적인 케이스가 제작되는 충분히 얇은 살두께를 만족하지 못했다. 이것은 Sauber 와 Tyrrell이 얇은 살두께의 알루미늄 케이스를 제조하기 위한 새로운 다이 케스팅 개발을 시작한 1993년에 변하였다.
고온 성능 면에서 복합 재질과 티타늄 합금은 그 적용에 있어서 매력적 이다. 고온 에폭시 카본 화합물의 출현으로 고온 운전이 가능하고 낮은 열 팽창 계수는 바람직하다. 티타늄은 고온에서 매우 안정하지만 주조성과 용접이 어렵다.
페라리는 이 두 가지 재질로 혁신을 시작하였다. John Barnard는 TIG용접 철판과 가공된 플레이트를 사용하여 강하면서 가벼운 케이스를 제조하고 엔드 케이스 (리어카바)와 벨하우징(클러치 하우징)에 모듈화된 카본화이버를 사용하였다. 티타늄과 CFRP사이의 볼팅 간섭으로 문제점들이 발생하였다. 이들 결합은 수직 평면에서 전체적인 비틀림 강성을 저하시키는 원인이 되었다. 이 결합을 꺽인 평면으로 만드는 개선이 행해지고 하이브리드 CFRP/Titanium 케이스는 페라리가 드라이버와 컨트스럭터 타이틀을 따내어 성공적으로 수행되었다.
다른 현재의 기술은 미나르디에서 사용하는 티타늄 다이케스팅 케이스 (그림 참조)이다. 이 케이스는 스테레오 링귀스틱 RP 기술 없이는 불가능 하다. 언더컷과 오목한 형태의 복잡한 형상은 최초로 주조되었고 미나르디 케이스는 쌈빡하고 구조적으로 효율적인 설계이다.
Arrows 와Stewart에서 이용 가능한 정보는 카본 화이버 케이스가 매우 드물다는 것이다. 최초 Arrows 케이스는 전체 면이 카본 화이버였던 것은 분명하지만 기어샤프트와 베어링을 지지하는 요소는 점차 티타늄으로 가공된다.
반자동 또는 자동 시프트:
아주 협소한 F1차에서 운전석으로 부터 후미에 장착된 변속기 까지 기계적인 링키지 연결 필요성은 설계자에게 있어서 수년 동안 문제가 되어 왔다.
매우 세련되지 못하고 제작하기 어려운, 연료 전지를 링크를 장착하기 위한 원통 터널을 통과하여 제작하는 해답은 확실히 상세 설계가 전설적인 John Barnard를 연상시킨다 1987년 그가 페라리에 도착했을 때 액티브 서스펜션에 로터스가 전자 유압을 사용하는 것을 보고 그 기술을 기어 변속에 적용하였다.
현재 잘 알려진 핸들 뒤편에 위치한 패달 배열을 이용하여 John Barnard는 이것을 서보 밸브와 4개의 액튜에이터를 연결하였다. 4개의 액튜에이터는 셀랙트 로드에 3개로 분리되어 사용되고 1개의 분리된 액튜에이터는 후진용으로 사용 되었다. 이것은 임의의 기어가 순서와 무관하게 선택되어질 수 있음을 의미한다.
초기에 이 시스템은 또한 업시프트가 완전 자동으로 운용 되었다. (엔진 회전수 가 한계에 달하면 업시프트가 발생한다) 이 자동 변속은 실제적으로 짧은 변속에 더 많은 유연성을 허용할수록 더 많은 엔진 제어를 요구하는 테스트 드라이버의 요청에 의해 제거되었다.
이러한 초기 반자동 변속기의 다운 시프트는 운전자가 회전수를 일치시켜야 만하고 수동으로 클러치를 조작하는 수동과 똑 같았다. 액튜에이터들은 루프 컨트롤 시스템에 반대되는 단순한 스위치 였다.
다른 팀들이 유사한 시스템을 개발하기 시작할 때 변속 속도는 더욱 소형화되고 단지 한 개의 액튜에이터 만을 필요로하는 모터사이클에서와 같은 순차적인 기계적 구조 같은 것이라고 느꼈다. 윌리엄즈는 FW14를 기회로 하여 이것이 반자동 변속기의 방향이었다.
마지막 단계는 다운 시프트에 대한 동기 제어 방식이다. 전자 유압 스로틀의 도입으로 컴퓨터로 제어는 힐엔토우 기술을 대체하였다.
이점에서 FIA는 변속 도중 스로틀과 클러치는 오직 운전자의 제어에 의해서 행해질 수 있으며 운전자로부터 각 변속에 정밀한 제어 입력치가 요구 된다고 보조를 맞추어 말하였다. 이점에서 반자동 변속기에 있어서 정확한 업, 다운 시프트는 다음 일반적인 패턴을 따른다.
업시프트:
업시프트는 풀스로틀로 클러치 없이 수행된다. EMS는 도그 링이 분리될 때 엔진 점화를 지연 시키는데 사용되어 진다.
0.12초 동안의 변속 속도로 엔진은 실제로 정확한 동기가 될 만큼 늦춰지지 않는다. 그 엔진 속도 저하는 600rpm 부근이며 동기에 요구되는 엔진 속도 저하는 1500 내지 2000rpm 사이다..
이 과도한 에너지는 바퀴가 가속하는 것을 돕는 결과를 낳는다. 그러나 이것은 차량을 불안정하게 하여 변속 속도를 차량 안정성을 위해 희생해야 한다.
따라서 젖은 상태에서 업시프트는 변속기가 감당할 수 있는 것보다 신중하게 천천히 해야 한다는 것은 논리적으로 추측할 수 있다.
다운 시프트:
다운 시프트는 스로틀을 닫고 클러치를 사용하여 변속을 행한다. 스로틀은 운전자가 발을 듦으로써가 아니라 드라이브 바이 와이어 시스템에 의해 닫힌다. .따라서, 다운 시프트는 페달은 운전자 입장에서 풀 스로틀이다.
변속이 필요할 때, 주어진 도로 속도와 새로운 변속 단으로 회전할 엔진 회전수가 계산된다. 만일 엔진 회전수 한계를 넘으면 변속은 거부되고 운전자는 변속을 재 요청하는 페달을 쳐야 한다.
스로틀은 닫히고 클러치는 도그링을 분리하기 위해 작동된다. 기어샤프트 속도를 동기시키기 위하여 스로틀은 자동으로 블립 (?)되고 셀렉터 드럼이 회전된다. 다운 시프트는 0.05초 근처로 업시프트 보다 느리다. 그러나 변속 속도보다 후륜이 락업되는 것을 방지하는 것이 더욱 중요하다.
위 문단은 올해 스페인 GP까지 모든 F1 팀들에 사용되었던 시스템에 대하여 기술하였다. 규정은 차의 컴퓨터 제어에 의한 변속, 스로틀 및 클러치 조작에 대한 총체적인 제어를 허용한다.
내 견해로서는 시스템이 변속을 거부하지 않는 등 실력없는 운전자들이라도 적정 경기장에서 엔진 속도를 낼 수 있기 때문에 변속에는 큰 변화가 없을 것 같다. 유일한 변화는 다운 시프트 순서를 제거하는 운전자의 반응 시간이 될 것이다. 스킵 시프트로 원하는 변속 단으로의 자동적인 변속에 자유도를 허용하기 위하여 시퀜셜 배열을 개별적인 액튜에이터와 시프트 레일로 대체하는 반전이 필요할 것이다. 나는 이러한 것들이 무게와 패키지를 고려한 시스템 관점에서 볼 때 발생하리라고 생각하지 않는다.