轮齿的战争

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The Cogs of War

《Racecar Engineering》将探寻3家顶级供应商如何在Le Mans的挑战下打造各自的跑车赛变速箱

文/Simon McBeath   图/Hewland|Xtrac|Ricardo   原文刊载于《Racecar Engineering》2005年10号


在所有的车赛中，无论是在4秒内风驰电掣般的划过四分之一英里长的直线加速赛道(Dragstrip)，还是24小时伴随着la Sarthe赛道长直道-绵延的弯道-减速弯的心跳，赛车的性能，耐久性，以及当前经济环境下必须考虑的成本这三者之间的平衡都显得至关重要。简单的说皮实耐用的设计在Le Mans的意义就是在实现赛车稳定性的同时避免无谓的开支。那么业内的顶级供应商是如何看待Le Mans带来的严苛挑战呢？《Racecar Engineering》将走访Hewland，Xtrac和Ricardo三家公司寻找答案，并探寻各家在应对这场特殊的比赛时有何独门秘籍。


Hewland Engineering

Hewland常务董事William Hewland在谈及Le Mans 24小时耐力赛带来的技术挑战时说："Le Mans和其他比赛相比并无本质上的差异。例如虽然3场普通比赛也是跑24个小时，但在Le Mans要注意磨损并保养变速箱将变得更为困难。所以当变速箱装上赛车之后你就试着忘了它吧，因为即使出现问题在24小时的比赛里你也束手无策。但我们对比赛中不允许更换整台变速箱的决定举双手赞成——真的有必要那样做吗？"
"挑战在于大功率和长寿命。赛车在Le Mans长时间处于高速状态，这对变速箱的冷却提出了要求，但高速状态下变速箱传递的扭矩也更低，相应变速箱的压力也更小。la Sarthe赛道对变速箱的压力并不是很大。相对而言Sebring更为颠簸，因此变速箱需要做得更加结实，但Le Mans对变速箱提出了一些特殊要求。"



Hewland在其Berkshire工厂内自行加工齿轮(图为滚齿法加工齿轮),Berkshire工厂主要进行定制项目的生产

Hewland继续说道："为使轴承不出现移位，变速箱在运行时需要进行冷却，尤其是镁制外壳的变速箱。我们的目标是将润滑油的油温控制在不高于100℃的区间内。这同样有助于防止齿腹(Gear Tooth Flank)发生回火(Tempering)。润滑系统还要去除管路中的气泡，并对润滑油进行彻底过滤。"
设计总监Andy Scott补充道："在Le Mans润滑油的容积要比其他地方更大，此外还需要适宜的过滤能力，外加更多一些的磁铁吸附纤细的钢屑。"
Hewland的整体设计目标是24小时以上的寿命，但如果客户只需要变速箱坚持几个小时的话，某些部件的设计可以"降档"以迎合需要。齿轮，啮合设计，轴承甚至接合齿齿面(Face Dog)的寿命均可由客户指定，显然对于Le Mans来说变速箱需要经受的就是排位赛+正赛的考验。

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稳定性在Le Mans至关重要,尤其是现在比赛中不准更换变速箱后

Hewland称Le Mans最常见的磨损问题就是接合齿齿面的磨损。"车手可以被视作一个变量，"他委婉的指出。"我们齿轮组的寿命通常都是我们产品线上数一数二的。尽管我们的产品非常优秀，但车手是个变量，而且是唯一的变量...换挡动作不够熟练的车手会让接合齿迅速出现磨损。而且通常很那弄清究竟哪个车手需要对此负责(译者注一部耐力赛赛车通常由多人轮流驾驶)。"
"这就是一个合适的半自动映射系统能够给予我们莫大帮助的原因(而一个糟糕的映射系统则会带来诸多问题)。我们的标准型SE选挡机构相比竞争对手更结实，运转部件更少，还可承受轻微损坏。相比之下我们的系统在工作时仅需要其他换挡机构大约2/3的能量，SE选档机构现已装用于FTR(用于F3，Formula BMW等)问世之后的每一台变速箱。完全相同的系统不但应用于FTR，也应用到了我们的顶级系列，这充分证明了其广泛的适用性。"Andy Scott说道。
手头不太宽裕的私人车队和小型制造商车队构成了Hewland在Le Mans的主要客户。"预算紧张会制约技术的应用。Le Mans现在还远非我们最大的市场，和我们现在绝大部分的生意不同，我们在Le Mans的客户基本都属于'你都有什么？'的类型。我们80%的营业额都来自变速箱定制业务，而非现货供应的部分，"Hewland说道。LMP2组别的Courage C65S今年(2005年)将搭载Hewland TLS横置6挡序列式变速箱(Lister在LMES也将使用这款变速箱)，所有出赛Le Mans的Lola赛车上装用的变速箱都将由两家合力打造——Lola自行制造变速箱外壳，Hewland负责根据Lola的设计提供内部零件。但William Hewland表示更乐于提供从引擎至车轮的整套传动系统："这样我们便可检验这套系统能否满足24小时比赛的要求，或者我们可以改进以使其满足要求。"
TLS变速箱共有8个不同版本，每一版都依据客户的不同安装要求进行了调整，但整体布局和内部零件几乎完全相同。变速箱外壳的主体部分通常采用的一体式[One-piece，即差速器上无分模线(Split Line)]设计可有效增加结构刚性，但三轴式布局和变速箱壳体设计的预留空间使得Hewland变速箱拥有广泛的适用性。变速箱轴的位置可根据指定的输入/输出轴高度而定，常啮合输入轴斜齿轮的齿比可选，这样变速箱内部零件转速便可对应6000-12000rpm的引擎最高转速。TLS变速箱现已应用于前置引擎，后置变速箱设定的GT赛车，而应用于LMP赛车的版本为配合中置引擎则采用了较短的变速箱外壳，二者间通过集成润滑油箱的整体式离合器壳(Bell Housing)相连。Hewland深信凭借自身的适应性和久经考验的内部零件，TLS变速箱可为客户提供定制式的解决方案。TLS变速箱同样符合新的车底尺寸规则。

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Hewland TLS跑车赛变速箱


Hewland TLS跑车赛变速箱的内部齿轮组及换挡拨叉组件

Hewland还将继续老款LSG-A变速箱的供货——这是一款6挡序列式/H型的纵置变速箱，齿轮组位于驱动系统(Dirveline)之前，搭载这款变速箱的Courage C52 Peugeot曾在2000年的Le Mans上获得第4，但Hewland发现目前其客户更倾向于使用横置单元。


Hewland LSG-A变速箱外壳设计图

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Xtrac

在如何看待Le Mans带来的挑战这个问题上，Xtrac发展总监Cliff Hawkins和技术总监Adrian Moore的观点与Hewland Engineering相得益彰。Xtrac亦赞同为变速箱提供有效的冷却，但他们同时认为高强度的换挡和la Sarthe赛道全力加速后的减速弯部分，都为变速箱额外提出了一些相当严苛的挑战。
Adrian Moore还认为设计一台能够坚持24小时以上的变速箱最根本的需要是"为了最小化我们客户的风险，变速箱必须能够进行快速维修。我们的变速箱设计得非常结实，简洁的设计使整台变速箱在加强了关键细节后仍然显得不是很重(72-76kg)。"Cliff Hawkins谈及目前为了控制成本，尽可能多的共享来自其他产品系列的通用部件已变得越发重要。
和Hewland一样，为了增强耐久性，Xtrac变速箱在Le Mans的运行温度比其他任何地方都低。冷却系统包括"最大号的储油箱(置于车身之下并受规则限制)，所以齿轮不必在润滑油中运转"——这有助于提升冷却效能和机械效率。Xtrac采用"清洁能力好，流量高，可高效泵出混入气体的润滑油"的三叶转子泵(Tri-lobe Rotor Pump)泵油。
"启动机组件也是非常关键的一个部分，"Hawkins继续说。"由于需要启动的部分很多(规则要求启动机必须安装在赛车上)，所以某些车队使用了两台启动机，这样一个挂掉的话还有另一个备用。"此类需求显然确定了引擎和变速箱之间的离合器壳/转接器(Adaptor)的部分原始设计。
今年(2005年)数部LMP赛车将使用Xtrac 229横置序列式变速箱。此设计最初应用于90年代中期的McLaren F1 GTR，那款变速箱采用了当时Xtrac为Ferrari F40供货的变速箱上的一些关键部件，1999年此变速箱经修改后应用于Williams协力的BMW V12 LMR上。229本是一个客户版本，随后却为Cadillac，Courage，Dallara，Dome和Riley & Scott数家所采用，而Bentley耐力赛车使用的则是一台定制变速箱外壳的版本。
同其他产品一样，Xtrac在229上使用自己的钢材等级：内部的绝大多数零件使用X36C；经真空冶炼(Vacuum Melting)的XVAR1钢用于高负荷的斜齿轮，主减速器齿轮组和差速器齿轮组。变速箱壳体通常由"花费高昂/性能提升明显"的翻砂(Sand Casting)RZ5镁制成，Xtrac可在客户指定位置通过机加工得到变速箱壳体上的悬挂支座，而变速箱外壳侧面覆盖物则使用标准部件以降低成本。轴承是"常规聚酰胺(Polyamide)保持架的圆锥滚子轴承(Tape Roller Bearing)，这主要是基于客户需要和承受载荷的考虑，尽管为提高效率我们也观察过角接触轴承(Angular Contact Bearing)，"Moore补充道。标准的换挡机构采用棘轮(Ratchet)驱动的序列式机构，当然也有H型换挡机构可供选择，Xtrac称某些客户使用的诸如MEGA-Line之类的辅助换挡机构并非必备，但的确有助于延长接合齿齿面和传动系统的寿命。现在LMP2亦允许使用辅助换挡机构。



右上:Xtrac差速器的3D模型;下:Xtrac 229横置跑车赛变速箱的分解图

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Xtrac可通过技术规则的改变协助客户使赛车产生更稳定的空气动力学效能，但同时发觉其229的设计由于过宽而不符合规定的车底尺寸。所以他们需要为LMP赛车在即将到来的2006年拿出一套新的设计。尽管Xtrac认为229将因此退出历史舞台，但这款变速箱仍然在Pratt & Miller的GT1 Chevrolet Corvette C5上大获成功，因此C6一并继承了这台变速箱。这可能会为这款变速箱的服役纪录额外再添上3年的时间。但2005年依旧成为229服役于LMP组别的最后一年，2006年被称为429的这款变速箱将成为229的继任者。



Xtrac 229在跑车赛中广为应用

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Xtrac 429实质上是将主要内部零件从横置的229上调转90o形成一台狭窄的纵置变速箱以期满足新的车底规则，但整体长度保持不变。事实上变速箱与引擎相连的前端面是相同的，前端面到差速器中心线的距离也是相同的，输出轴亦在相同的位置上，所以429完全可以装入229曾经服役过的地方。
尽管重新设计实属无奈之举，但Xtrac仍不失时机的在429中加入了一些新的元素。这款变速箱集成了一个由气压缸驱动的辅助换挡机构(Xtrac仍提供手动序列式换挡机构)。颇为有趣的是整台变速箱包含两组减速齿轮(Drop Gear)，这样输入齿轮组的扭矩和转速便能与引擎相协调。因此449变速箱不但可承受低转速/高扭矩的柴油引擎，在面对高转速的汽油引擎时亦能应对自如。尽管动力链额外增加了一组齿轮，但由于成形磨削(Form Grinding)法加工出的直齿轮效率非常之高，因此传动损耗微乎其微。额外的一组减速齿轮可以根据给定的赛道配合赛车整体的齿比设定。429变速箱的整体布局很大程度上来自Xtrac供货IRL(Indy Racing League)的变速箱，经调整后的整体尺寸完全能够符合跑车赛的特殊要求。
429变速箱的纵置布局允许在不拆解后悬挂的情况下更换齿轮组，Xtrac已经将润滑油滤清器和油泵集成至齿轮组总成之中，因此它们可以被一并更换，这是一种应用于Xtrac IRL变速箱的配置。Xtrac 429变速箱使用圆锥滚子轴承和角接触轴承的组合以期达到成本和效率间的平衡。客户亦可自由选择RZ5镁制变速箱壳体上的悬挂支座位置。
其他特别之处包括为减小变形而在两根齿轮轴之间设置的的"双孔板(Spectacle Plate)"结构，以及为达到最小阻力而在输入/输出法兰处采用的低摩擦PTFE密封圈。专供Le Mans的选装部件包括Xtrem超精抛光和成形磨削的变速齿轮。



Xtrac的新型429纵置变速箱以掉转90o的229齿轮组为其主要内部零件

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Ricardo Motorsport

近些年来在联手Audi后Ricardo迎来了其在Le Mans的巅峰期，2004年双方联手取得全场1，2，3，5名。2005年我们又一次在获胜的R8上看到了Ricardo纵置变速箱的身影，此变速箱的横置版本同样被Creation Autosportif DBA Judd和使用Zytek赛车的Jota车队所采用。明年(2006年)Zulltec的一部LMP2赛车也将加入Ricardo阵营。
Ricardo业务发展总监Iain Wight和首席设计师Tim Gee认为Le Mans的挑战主要来自于变速箱内部零件的金属疲劳，但温度问题似乎并不严重。"我们的目标是尽可能的不产生热量，这意味着齿形和轴承将变得非常重要，而细节似乎正是我们所擅长的部分。此外就是确定合适的冷却器尺寸。我们使用了一个小型油泵(流量比压力更重要)，并在变速箱油底壳中设置了挡板和防喘振(Anti-Surge)系统，此外我们还要对吸油口位置给予足够的重视。也许我们非常幸运，似乎的确有作用！"Tim Gee谦逊的说道。"设计时很容易搞得过于复杂，但我们秉承简单至上的设计哲学。降低部件数目也就意味着降低整个系统的发热量。Audi变速箱装用的斜齿轮组恰恰受益于此。"


Ricardo横置式变速箱壳体在施加载荷时的有限元分析(FEA，全称Finite Element Analysis)示意图


Ricardo横置式变速箱的左右视图

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Iain Wight补充道"和大型制造商合作意味着能够共享到非常宝贵的数据。我们从Audi那里获取了输出扭矩之类的信息，这些数据对原始设计有很大帮助。同时预算还允许我们进行赛道测试。但通常你不会找一支私人车队测试。"和其竞争对手一样，现在一台变速箱必须坚持整场24小时比赛的举措让Ricardo倍加满意。Iain Weight对此说道："如此一来你必须花大力气关注变速箱的稳定性，此时一个优秀的设计便能体现出其独有的价值。"
Audi所用的变速箱已经6年(至2005年)没有实质上的改变了。1999年两家分工合作由Ricardo提供内部零件，Audi自行制造变速箱外壳，但为备战2000年的比赛Ricardo重新设计了整台变速箱，成功的减轻了15kg的重量。整台变速箱的布局是"齿轮前纵置"式，底端的输入轴通过齿轮驱动输出轴，再由斜齿轮组将驱动方向转向一侧，最后由直齿轮组直接驱动差速器。序列式选挡转鼓(Shift Barrel/Selector Drum)位于齿轮组上方，由变速箱顶部的气动活塞直接驱动。



Audi变速箱最初使用其自行制造的壳体和Ricardo出品的内部零件

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Ricardo采用所谓的"双层"变速箱壳体，整台变速箱实际上有两个独立的壳体分别包裹齿轮组并承载悬挂组件。Ricardo通过所谓的"拓扑优化(Topology Optimization)"法帮助确定变速箱外壳形状。"尽管壳体形状实质上是由你需要装入的部件而定的。"Tim Gee说道。"有限元分析(FEA，全称Finite Element Analysis)在确定变速箱壳体细节时非常重要。"
Ricardo的"LMP横置"变速箱拥有完全独立的血统。这台变速箱最初是为Reynard 02S所做的一个定制设计，这部赛车随后变身Zytek 04S和DBA4 03S。最初的设计目标是一台能够满足不同组别中不同引擎和不同车赛需要的变速箱。"这是一个十分复杂的设计，"Tim Gee评价道。"我们不得不设计两组齿轮系，其中的齿轮宽度，斜齿轮和差速器都完全不同，但由于留有的设计余地较大，最终的应用范围也非常广泛。这台变速箱能够适应半自动/手动换挡方式下的11000rpm V10和7000rpm V8引擎。这款变速箱注定将成为同级别中最稳定，最轻量化的产品(仅重58kg)，同时还可满足新的车底规则。当Reynard项目搁置后，Ricardo方面的研发暂停了一段时间，但当赛车研发重新启动时，这款变速箱无疑已经不需要任何后继研发了。"





Ricardo与Reynard共同研发的新型LMP变速箱最初用于Reynard的新型原型车,但当供货终止时这款变速箱却在跑车赛中找到了更为广阔的市场

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序列式换挡机构亦使用活塞直接驱动的选挡转鼓，与手动换挡不同的是这套装置亦可提升换挡质量并简化机构。Ricardo提供气动(如MEGA-Line出品)和电气(2004年由Zytek设计并应用)两种辅助换挡机构备选。电气式换挡机构在选挡转鼓的两端各装有一个电磁阀，同时储能系统可在极短时间内提供快速转挡所必须的能量。据说这套系统比其他方案更轻更简单，因为不需要压缩机，储能器和过滤系统。但亦增加了一些相当复杂的电气/电子系统。
LMP横置变速箱的选挡机构深受Audi那款变速箱的影响。轻量化的选挡转鼓降低了转动惯量，以实现快速换挡并避免非被选齿轮出现"超速"现象。换挡拨叉的设计元素也被一并继承过来。"换挡拨叉对车手的反应和动力辅助换挡系统中的换挡断火(Ignition Cut)极为敏感，因此我们的上策当然是沿用久经考验的系统，这让我们在那些部分更为自信，"Gee说道。Ricardo的升级版"双片式(Two Pad)"换挡拨叉设计现已被市场上的竞争对手竞相模仿。此设计不仅将载荷沿既定轴线施加到接合齿齿圈(Dog Ring)上，亦将其作为一个类似弹簧的机械储能装置，接合齿齿圈啮合时还可帮助换挡。



Audi R8变速箱的内部零件(左)和Ricardo LMP横置变速箱(右)的对比图