Onderdelen die vaak diep in een Formule 1-auto zitten verwerkt, worden vaak vergeten of over het hoofd gezien, maar spelen vaak een essentiële rol bij het leveren van prestaties. Een van die onderdelen is de koppeling.
De koppeling in een F1-auto heeft een vergelijkbare functie als de koppeling in een straatauto, het is de verbinding tussen de krachtbron en de wielen. Een autokoppeling is een wrijvingsmechanisme dat de krachtbron met de versnellingsbak verbindt: de koppeling kan slippen en dus zorgen voor een traploze verhouding. Dit varieert van een draaiende motor en een stilstaande ingaande as van de versnellingsbak wanneer de koppeling is uitgeschakeld tot een één-op-één-verhouding wanneer de koppeling volledig is ingeschakeld en de ingaande as van de versnellingsbak op dezelfde snelheid draait als de motor.
Dit vermogen om te slippen stelt de bestuurder in staat om vanuit stilstand weg te rijden, door de koppeling geleidelijk in te trappen en zo de mate van slippen te veranderen. Hierdoor verandert de verhouding tussen het motorentoerental en versnellingsbaktoerental effectief, totdat de koppeling volledig is ingeschakeld. Het verschil tussen het gebruik van de koppeling in een raceauto en in een straatauto ontstaat niet bij de start, maar tijdens het schakelen. In een raceauto wordt de koppeling volledig ontkoppeld om te kunnen schakelen, waardoor de versnellingsbakassen - geholpen door een wrijvingring - hun snelheid kunnen synchroniseren bij het inschakelen van een andere versnelling.
In een F1-auto is dit niet nodig omdat de elektronica ervoor zorgt dat wanneer er geschakeld moet worden, de volgende versnelling wordt ingeschakeld wanneer de drive dogs op de versnellingen zich precies op de juiste plaats bevinden, waardoor de koppeling niet ontkoppeld hoeft te worden en er naadloos kan worden geschakeld. Zo'n schakeling zorgt ervoor dat er effectief geen verlies van aandrijving is tijdens het opschakelen. In feite is deze besturing een extreem snel werkend equivalent van de mechanische synchromesh die in personenauto's wordt gebruikt.
Het ontwerp van een koppeling in een straatauto en die van in een F1-bolide lijken op elkaar, maar de verschillen zijn aanzienlijk.
Een koppeling in een personenauto bestaat uit een wrijvingsplaat die door een membraanveer tegen het motorvliegwiel wordt gedrukt. De frictieplaat heeft inkepingen in de middelste naaf die verbonden zijn met de ingaande as van de versnellingsbak. Hierdoor wordt het motorkoppel van de krukas naar het vliegwiel geleid en vervolgens via de door de koppeling aangedreven plaat naar de versnellingsbak geleid, voordat het uiteindelijk naar de wielen wordt overgebracht.
Om de koppeling in een straatauto te ontkoppelen, drukt de bestuurder het koppelingspedaal in, dat een zuiger in een hydraulische cilinder beweegt of een kabel bedient die verbonden is met een ontkoppelingslagermechanisme dat op de koppelingsmembraanveer rust. Door het pedaal in te drukken wordt het midden van de diafragmaveer ingedrukt, die vervolgens rond een steunpunt draait waardoor de druk op de koppelingsplaat wordt opgeheven.
F1-koppelingen, die alleen gebruikt worden voor bij het starten en achteruitrijden, worden bediend met flippers aan de achterkant van het stuur.
Foto: Mark Sutton
De koppeling voor personenauto's heeft een behuizing van geperst staal en de koppelingsplaat heeft een organisch frictiemateriaal dat lijkt op dat van een remblok. Voor een middelgrote gezinsauto kan de koppeling een diameter van 240mm hebben en meer dan vijf kilo wegen. Het koppel bedraagt ongeveer 450 Nm.
De F1-koppeling is een sterk ontwikkelde versie hiervan, maar het ontkoppelingsmechanisme trekt aan de veervingers van het membraan in plaats van erop te duwen, waardoor de diameter kleiner en het gewicht lichter is en de koeling verbetert. De diameter is veel kleiner, tussen 100 en 110 mm, en in plaats van een enkele koppelingsplaat zijn er vier of vijf aangedreven platen die intern op de ingaande as van de versnellingsbak zijn gesplitst. Deze werken tegen soortgelijke afwisselend gespreide platen die extern aan het koppelingshuis zijn gespiegeld. De koppelcapaciteit van een koppeling is een functie van het plaattype en -oppervlak, het aantal platen en de belasting van de membraanveer.
Ondanks zijn kleine formaat kan een F1-koppeling een koppel van 2000 Nm aan. Dankzij de kleine diameter kan de motor laag in de auto worden gemonteerd en is de koppeling veel lichter (ongeveer 1,5 kg) omdat de behuizing is gemaakt van titanium en de frictieplaten van koolstof. Dit alles zorgt voor een lagere rotatietraagheid, wat de acceleratie ten goede komt. Men realiseert zich vaak niet dat roterende traagheid net zo funest is voor acceleratie als gewicht.
Bovendien wordt de traagheid van de motor of koppeling aan de wielen gezien als het kwadraat van de totale overbrengingsverhouding. Een F1-koppeling heeft een traagheidswaarde van ongeveer 0.0066kgm2 wat ongeveer een tiende is van die van een gewone auto. Zonder vergelijkingen in deze kolom te willen zetten, kan worden aangetoond dat wanneer een F1-auto accelereert, de traagheid van de koppeling de acceleratie op dezelfde manier tegenhoudt als het toevoegen van 8,5 kg massa aan de auto. Zelfs een kleine tot middelgrote straatauto heeft een massatraagheid van de koppeling die gelijk zou staan aan het toevoegen van 85 kg aan de auto, dus het is gemakkelijk te zien waarom de reductie in massatraagheid van de koppeling nog belangrijker is dan de reductie in gewicht.
De techniek achter de enorme verkleining van koppelingen is grotendeels te danken aan de ontwikkeling van koolstofwrijvingsoppervlakken die samen met koolstofremmen werden ontwikkeld, omdat de materialen erg op elkaar lijken. Hiervoor waren de frictiematerialen voor racekoppelingen een mengsel van koper, ijzer, brons en siliciumdioxide gesinterd op een steunplaat. Hoewel ze superieur waren aan de organische oppervlakken, waren ze nog steeds beperkt in temperatuur met wrijvingsafname bij minder dan 1000 graden Celsius. Koolstofmaterialen kunnen deze temperatuur, die vaak optreedt tijdens het optrekken, gemakkelijk aan. Zelfs de naven en het koppelingsdeksel kunnen op een slechte dag 500 graden Celsius bereiken.
De koolstofkoppeling werd voor het eerst gebruikt op de Williams van 1983 en werd halverwege de jaren tachtig de norm. Tilton, ZF en AP Racing deden allemaal mee aan de vroege ontwikkelingsrace, maar nu levert AP Racing aan acht van de tien F1-teams en vierde het vorig jaar in Abu Dhabi zijn 865e overwinning met een koolstofkoppeling.
Koolstofkoppelingen zijn een vaste waarde in F1 sinds 1983, toen de producten van AP Racing voor het eerst werden gebruikt door Williams.
Foto: Motorsport Images
Source: Motorsport