V našem prvním vstupu do teorie trakce jsme objasnili polohu ideálního provozního bodu motoru tak, abychom dosáhli maxima točivého momentu na hnaných kolech Tk[Nm], a tím pádem i maxima hnané síly F[N] a ze závěrů zde učiněných nám vyplynula nutnost provozovat motor v oblasti maxima výkonu Pe[kW] bez ohledu na velikost a polohu točivého momentu motoru Tm[Nm]. Uveďme si zde ještě dva typické případy, kdy motor a) bude mít konstantní točivý moment Tm=konst (například 500Nm) a motor b) bude mít konstantní výkon Pe=konst (například 525kW). Výkon motoru a) bude s otáčkami ve smyslu Pe=(π/30)*Tm*nm=konst*nm lineárně vzrůstat (to je typické pro atmosférické motory), naproti tomu točivý moment motoru b) bude ve smyslu Tm=(30/π)*(Pe/nm)=konst*(1/nm) hyperbolicky klesat (to je typické pro přeplňované motory omezené restriktorem), obr.4:

Vyčíslíme si s použitím rovnice (7) z úvodního dílu našeho miniseriálu velikosti točivých momentů na hnaných kolech, opět pro konstantní rychlost (připomínáme, že pro w=konst je třeba splnit podmínku (nA/nB)=(iA/iB); jestliže zvolíme iA=10, pak iB=20):

Případ a):

TkA=Tm*iA=(30/π)*PeA*(iA/nm)=500*10=(30/π)*262exp+03*(10/5000)=5000Nm, TkB=Tm*iB=(30/π)*PeB*(iB/nm)=500*20=(30/π)*525exp+03*(20/10000)=10.000Nm.

Případ b):

TkA=TmA*iA=(30/π)*Pe*(iA/nm)=1000*10=(30/π)*525exp+03*(10/5000)=10.000Nm, TkB=TmB*iB=(30/π)*Pe*(iB/nm)=500*20=(30/π)*525exp+03*(20/10000)=10.000Nm.

Zatímco u případu a) musíme zajistit pro dosažení maxima točivého momentu na kolech provozování motoru co nejblíže provoznímu bodu (B) (například tím, že motor bude spojen s hnanými koly variátorem), u případu b) je zcela lhostejno, v jaké oblasti motor provozujeme, neboť v každém okamžiku v rozsahu od pěti do deseti tisíc otáček dosáhneme na hnaných kolech točivý moment shodně 10kNm. To mimo jiné znamená, že pokud bychom měli k motoru dle b) připojit převodovku, musela by být navržena tak, aby při přeřazení z nižšího na vyšší stupeň spadly otáčky motoru právě o 5000/min, poněvadž jakýkoliv nižší pokles otáček při přeřazení by neměl pro konečný točivý moment na kolech zhola žádný význam (neboť v rozsahu otáček konstantního výkonu máme také konstantní točivý moment na kolech, viz vztahy pro TkA, TkB pro případ b) a řazení tím pádem nepřináší žádnou výhodu, ba naopak způsobí ztráty v trakci). Naproti tomu pro případ a) je nutné, aby otáčky motoru při přeřazení klesly co nejméně, a my tak mohli provozovat motor co nejblíže jeho výkonovému maximu.

Jiný pohled na grafy z obr. 4 nám ovšem ukazuje, že ačkoliv dle a) má motor konstantní (plochý) točivý moment, neobejde se jeho užití v závodním stroji bez mnohastupňové převodovky (nebo variátoru). Naproti tomu porovnejte motor s dramaticky klesajícím točivým momentem dle b), který je zdánlivě vzhledem k průběhu momentové křivky „zralý na odpis“, ale který je překvapivě pro závodění daleko použitelnější především vzhledem k nepotřebě častého řazení.

Dostali jsme se velmi jednoduchým odvozením k dalšímu docela škodlivému mýtu motosportu, kdy je prosazována (a požadována) charakteristika motoru s plochým točivým momentem, což je, jak jsme prokázali, pro dosažení maximálního točivého momentu na kolech zcela nevhodné. Naproti tomu plochá výkonová křivka dle b) přináší daleko širší pásmo maximálního točivého momentu na kolech, a přitom vůbec nevadí, že točivý moment motoru klesá.

Podívejme se nyní na konkrétní případ návrhu převodovky monopostu F1 pro motor s charakteristikou dle obr.5:

Protože jde o atmosférický motor s prakticky stále rostoucím výkonem, je bezpodmínečně nutné použít mnohastupňovou převodovku, která umožní po přeřazení minimální pokles otáček a tím pádem provoz motoru co nejblíže jeho výkonovému maximu. U vysoce laděných motorů obvykle připouštíme výkonovou ztrátu při přeřazení cca. 5%Pmax (v našem případě cca. 30kW). V prvé řadě je třeba určit maximální rychlosti na první a poslední stupeň; my se budeme zabývat návrhem sedmistupňové převodovky a zvolíme maximálky na jedničku a sedmičku 130 resp. 320 km/hod. při otáčkách motoru 19000/min. V technické praxi je zvykem vytvářet tzv. rychlostní diagramy trakce (dále RD, podobnost s iniciály nejmenovaného týmového šéfa čistě náhodná), kdy na souřadnicové ose bude rychlost monopostu, a na ose pořadnic budou otáčky motoru. Pro náš případ může RD vypadat např. dle obr.6:

Vytváří se podle vztahu pro rychlost auta w[km/hod] v závislosti na otáčkách motoru nm[1/min], převodovém číslu ic a dynamickém poloměru hnaných kol rk[m]:

Z rychlostního diagramu dle obr.6 lze vyčíst celou řadu údajů, jako jsou rychlosti pro maximální otáčky motoru a jednotlivé převodové stupně, poklesy otáček při přeřazení, charakter rozdílů max. rychlostí na jednotlivé převodové stupně a mnoho dalšího. Tak například obr.6 ukazuje, že rychlostí 180km/hod (v RD ozn. pozicí „X“) může jet monopost F1 na 3° při otáčkách motoru 17.690/min, nebo na 4° při otáčkách 15.200/min, nebo na 5° při otáčkách 13.325/min, atd.

RD dle obr.6 je vytvořen tzv. „klasickým přístupem“, který je charakteristický konstantním přírůstkem maximálních rychlostí (dif)w [km/hod] (pro náš případ je (dif)w21=162-130=32km/hod, (dif)w32=193-162=31km/hod, (dif)w43=225-193=32km/hod atd.). V tomto případě průsečíky svislic a funkčních čar otáček (v obr.6 značeny jako body a, b, …, f) leží na exponenciální křivce a tak se s každým přeřazením na vyšší stupeň snižuje spad otáček, jak je vidět v RD ((dif)nm12=3722/min, (dif)nm23=3112, atd.). Jestliže ovšem tyto okolnosti porovnáme s našimi vývody o nutnosti provozovat motor co nejblíže jeho bodu výkonového maxima, cítíme, že tento klasický přístup k návrhu převodů je nesprávný. Abychom se totiž provozováním motoru co nejvíce přiblížili jeho výkonovému maximu, je nutné, aby naopak spad otáček při každém přeřazení byl konstantní, a my se tak budeme pohybovat v oblasti ozn. (dif)n v grafu dle obr.5 a skutečně tak nejlépe využijeme výkonovou špičku motoru, s respektováním ztráty výkonu při řazení do 5%Pmax.

Podívejme se, co se stane s RD při dodržení pravidla o konstantním spadu otáček po přeřazení, obr.7:

Pro tento moderní přístup k rozložení převodů, charakterizovaný položením bodů a, b, …, f na vodorovné přímce, je ovšem nutno ve velmi krátkých časových intervalech řadit nižší převodové stupně, naopak mezi přeřazením např. ze šestky na sedmičku uplyne relativně dlouhá doba. To je dáno celkem pochopitelně změnou diferencí maximálních rychlostí (dif)w21, (dif)w32, … viz obr.7, a zatímco u klasického pojetí (obr.6) mohl pilot řadit víceméně rytmicky (v téměř konstantním časovém intervalu), u moderního pojetí trakce (obr.7) musí pilot věnovat řazení daleko větší pozornost a jízda s takto navrženými převody je náročnější.

Moderní přístup k trakci dle obr.7 lze krásně sledovat u top-teamů, přičemž nejradikálněji se k tomuto postavil McLaren, následován Ferrari a Williamsem, naopak týmy z dolní poloviny pole dosud teorii trakce plně nepochopily a používají klasický přístup dle obr.6.

Zbývá ovšem objasnit ještě jeden fenomén typický pro monoposty F1, sice jak naložit s přebytkem točivého momentu na hnaných kolech u nízkých převodových stupňů. Zde totiž nejsou hnaná kola vůbec schopna vzhledem k omezené adhezi teoretické maximum přenést, takže není tím pádem nutné ctít podmínku provozu motoru v bodě jeho výkonového maxima a my pro nízké převodové stupně připustíme vyšší pokles otáček při přeřazení, abychom se dostali (po přeřazení) do provozního režimu motoru s nižším výkonem (a tím pádem i s nižším točivým momentem na hnaných kolech). Opět připomínáme, že ačkoliv se z důvodu vyššího spadu otáček dostáváme do oblasti vyššího točivého momentu motoru (viz obr.5), tak převodové číslo se (vzhledem k vyššímu otáčkovému spadu) natolik sníží, že celkový součin (Tm*ic) bude nižší, přesně v souladu s našimi předešlými závěry o provozních bodech motoru.

RD akceptující adhezní důsledky může vypadat např. dle obr.8:

Vliv aerodynamické přítlačné síly, která zvyšuje adhezi, je vyjádřen exponenciální křivkou (body a, b, c). Náš graf předpokládá, že na třetí rychlostní stupeň je již monopost plně schopen přenést točivý moment na vozovku. Všimněte si, že takto koncipovanými převodovými čísly pro dvojku a trojku se nám podařilo ještě více zúžit pásmo spadu otáček při řazení čtvrtého a dalších stupňů (na 2260/min), čímž se ještě více přibližujeme provozováním motoru k bodu maxima výkonu (využíváme lépe část výkonové křivky s vyšším výkonem, kdy po přeřazení ztratíme ještě méně než 5%Pmax, viz obr.5).

Další možností, jak naložit s přebytkem výkonu a točivého momentu na kolech u nízkých rychlostních stupňů je současně s přeřazením přemapovat motor tak, aby měl pilot s regulací prokluzu v nízkorychlostních režimech co nejméně práce.

Na závěr je třeba zmínit také potřebu regulovat převodová čísla podle tratí. To se týká především maximálních rychlostí pro jedničku a sedmičku, ovšem nutno podotknout, že další přizpůsobování převodů např. podle charakteru zatáček se dnes provádí minimálně. Je to z důvodu, že převodovka se, jak jsme ukázali, „šije na míru“ především motoru, a potřeba dolaďování převodovky podle tratí byl fenomén dob minulých, kdy se používaly převodovky s malým počtem rychlostí, které nebyly schopny uspokojivě pokrýt potřebu motoru a jezdce. Přesto všechno ovšem platí, že i nejjemnější niance ve sladění motoru a převodů může přinášet cenné desetinky v celkovém jízdním výkonu monopostu.