Dwumasowe koło zamachowe – czy naprawdę jest potrzebne?

Koło dwumasowe to w uproszczeniu tłumik drgań skrętnych. Już samo to, osobom rozumiejącym mechanikę i znającym podstawową budowę silnika oraz układu napędowego wystarczy, by pojąć, jaką rolę odgrywa koło dwumasowe. Mam nadzieję, że rozjaśnię tę niełatwą kwestię wszystkim czytelnikom. W tym celu musimy zacząć od samego początku, czyli wyjaśnienia, czym jest koło zamachowe.

Każdy silnik wyposażony jest w koło zamachowe, które odgrywa rolę akumulatora energii kinetycznej pochodzącej z silnika. Gdyby go nie było, silnik, zwłaszcza o mniejszej liczbie cylindrów, pracowałby bardzo nierówno i z określoną częstotliwością, wciąż przyspieszając i zwalniając. O ile bowiem w suwie ssania i wydechu opory nie są zbyt duże, o tyle w suwie sprężania silnik traci dużo energii, która z kolei powstaje podczas suwu pracy.

Koło zamachowe służy zatem do zapobiegania wytracaniu prędkości obrotowej podczas kolejnych suwów pracy silnika, głównie suwu sprężania.

Ważny jest moment bezwładności tego elementu, czyli odporność na zmianę prędkości obrotowej. Im większy moment bezwładności, tym płynniejsza praca silnika. Duży moment bezwładności koło zamachowe zawdzięcza swojej dużej masie. Jak ważna jest masa koła zamachowego, można zauważyć w samochodach wyścigowych, które mają bardzo lekkie koła zamachowe. Co za tym idzie - praktycznie nie są w stanie pracować na prawdziwie wolnych obrotach.

Bolidy F1 mają 10-krotnie mniejszy moment bezwładności całego sprzęgła razem z kołem zamachowym niż samochody drogowe, ale w nich wolne obroty zaczynają się tam, gdzie kończą się obroty w silnikach normalnych aut.

Koło zamachowe jest też w pewnym sensie elementem układu sprzęgła, ponieważ docisk sprzęgła dociska tarczę sprzęgłową właśnie do koła zamachowego. Cześć jego powierzchni przenosi więc moment obrotowy z silnika na tarczę sprzęgła i dalej. Z tego powodu koło zamachowe musi być odporne na ścieranie i przegrzanie.

W chwili włączania sprzęgła, tj. dociskania tarczy sprzęgłowej do koła zamachowego, występują nie tylko poślizgi, ale też liczne drgania i wibracje spowodowane pracą silnika i stojącym lub kręcącym się z inną prędkością układem napędowym.

Dlatego też przez lata standardem było umieszczanie wewnątrz tarcz sprzęgła sprężyn, fachowo nazwanych tłumikami drgań skrętnych. I tu dochodzimy do… początku artykułu, w którym pisałem, że koło dwumasowe jest tłumikiem drgań skrętnych, tyle że większym i bardziej skomplikowanym w budowie.

W momencie przyspieszenia rozwoju silników Diesla i szybkiego wzrostu ich popularności producenci samochodów musieli sprostać wielu wyzwaniom. Silniki osiągały coraz wyższą moc i moment obrotowy. Diesle trafiały do odbiorców jeżdżących wcześniej samochodami z napędem benzynowym i producenci nie mogli sobie pozwolić na obniżenie komfortu jazdy ich klientów. A przecież wibracje silników wysokoprężnych są znacznie wyższe niż benzynowych.

Mówiąc kolokwialnie, trzeba było pokazać potencjalnym klientom, że silnik Diesla jest przynajmniej tak samo dobry i komfortowy jak benzynowy. Konieczne stało maksymalne wytłumienie drgań pochodzących z jednostki napędowej i przenoszonych na karoserię oraz układ przeniesienia napędu.

Kolejna rzecz to właśnie układ napędowy, który trzeba chronić przed bardzo wysokim momentem obrotowym silnika Diesla. Przed erą TDI i Common Rail silniki wysokoprężne nie wytwarzały tak dużego momentu obrotowego jak współczesne jednostki, nawet jeśli były turbodoładowane. A dotyczy to już nie tylko diesli, bo dokładnie to samo można powiedzieć o nowoczesnych motorach benzynowych.

Inna sprawa, że układy doładowania dawniej nie dawały tak wczesnego przyrostu momentu obrotowego, jak obecnie. Wzrost momentu obrotowego, zwłaszcza w niskim zakresie prędkości obrotowych, spowodował poważne zagrożenie dla elementów układu napędowego poddawanego większym obciążeniom.

O ile stałe przenoszenie nawet dużego momentu nie jest jeszcze groźne, to już ruszanie czy zmiana biegu, a także przyspieszanie i hamowanie silnikiem z dużym stopniem sprężania powodują znaczne zmiany obciążeń układu i to skutkuje poważnym ryzykiem uszkodzenia jego elementów. Dlatego też tłumik drgań skrętnych musi być nie tylko skuteczniejszy, ale też pozwalać na płynniejsze przekazywanie momentu obrotowego na układ napędowy.

Kolejnym powodem stosowania kół dwumasowych jest możliwie płynne ruszanie. Silniki są coraz mniejsze i choć wspomagane turbosprężarkami wytwarzają duży maksymalny moment obrotowy, to jego realna wartość przy takich obrotach, przy jakich odbywa się włączanie sprzęgła podczas ruszania, jest niska.

Współczesny silnik Diesla 1,6-1,8 l wytwarzający maksymalną moc i moment obrotowy porównywalny z dawnymi 3-litrówkami jest nierzadko tak słaby na najniższych obrotach, że gdyby nie koło dwumasowe tłumiące wibracje i dające pozorny poślizg podczas włączania sprzęgła, ruszanie byłoby bardzo trudne i wiązałoby się z dużym poślizgiem tarczy sprzęgła. To z kolei powodowałoby jej bardzo szybkie zużycie.

Dwumasowe koła zamachowe mają też ogromny wpływ na kulturę pracy układu napędowego w samochodach wyposażonych w skrzynie półautomatyczne, zwłaszcza dwusprzęgłowe. Gdyby nie obecność koła, bardzo szybka, niemal niezauważalna zmiana biegów powodowałaby mocne, choć krótkie szarpnięcia, podobne do tych w samochodach wyścigowych. Nawet pomijając komfort jazdy, same skrzynie biegów nie wytrzymałyby długo takiej pracy. Koła dwumasowe całkowicie niwelują takie niedogodności.

Jest jeszcze inny aspekt, ważny z punktu widzenia producentów. Rosnące wymagania norm emisji spalin powodowały, że trzeba było maksymalnie ograniczyć zużycie paliwa, a to rośnie wraz z obrotami silnika. Badanie zużycia paliwa i norm emisji spalin, na podstawie których samochody są homologowane pod kątem norm Euro, odbywa się na stanowiskach z hamownią.

Podczas takich prób samochody pokonują na laboratoryjnych rolkach wirtualny dystans przy nierealnie niskich obrotach, by potem producent podał w katalogu nierealne wartości spalania. Niskie obroty silnika, zarówno na hamowniach, jak i już podczas użytkowania, powodowałyby wibracje, gdyby nie koła dwumasowe.

Na wyświetlaczach komputera pokładowego bardzo wielu modeli wyświetlane są informacje o tym, kiedy należy włączyć wyższy bieg. Często podczas łagodnej jazdy komputer żąda włączenia czwartego biegu przy prędkości 40 km/h, a po przekroczeniu 60 km/h proponuje jechać na najwyższym przełożeniu. Gdyby nie koło dwumasowe, żaden kierowca nawet nie pomyślałby o czymś takim.

Dawniej przy prędkości 50 km/h można było jechać najwyżej na 4 biegu, ale już mocniejsze wciśnięcie pedału gazu powodowało nierzadko wibracje całego samochodu. Dziś nie ma problemu, by na 5 biegu przy 1200 obr./min wcisnąć gaz do oporu. Samochód niekoniecznie ma chęć przyspieszać, ale koło dwumasowe niemal całkowicie niweluje wibracje.

Wróćmy do postawionego na początku pytania: czy koło dwumasowe jest potrzebne? Odpowiedź może być dla was zaskakująca i będzie również pytaniem: czy potrzebny jest wam silnik Diesla o dużej mocy lub benzynowy, który mało pali? Jeśli tak, macie również odpowiedź na pytanie o tzw. dwumasę. Owszem jest potrzebna, wręcz niezbędna. Osoby, które są krytyczne wobec tej opinii, zwykle odnoszą się do trwałości tego elementu, a to już zupełnie inny temat.

Zamachowe koło dwumasowe w przeciwieństwie do standardowego koła zamachowego skuteczniej tłumi wibracje całego układu napędowego, pozwala przy tym na łatwiejszą zmianę biegów i wpływa na niższy poziom hałasu. Zabezpiecza skrzynię biegów, sprzęgło i pozostałe elementy układu napędowego przed nadmiernymi przeciążeniami, występującymi zwłaszcza podczas ruszania, gwałtownego przyspieszania i hamowania silnikiem. Mówiąc wprost: jeśli chcesz jeździć komfortowo, nie możesz dyskutować na temat słuszności stosowania przez producentów kół dwumasowych.