Skrzynia biegów - dlaczego jedno przełożenie nie wystarczy?

Patrząc na historię motoryzacji łatwo dostrzec, że wraz z rozwojem konstrukcji zwiększała się liczba biegów. Pierwsze samochody wyposażone były w skrzynie jednobiegowe. Jednak rosnące wymagania odnośnie dynamiki pojazdu i ekonomii jego eksploatacji sprawiły, że już w latach 90. standardem było pięć biegów w zwykłych samochodach osobowych i sześć w autach sportowych (mowa o skrzyniach manualnych).

Po co kierowcy biegi? Wszystkiemu winna jest niedoskonałość techniczna silnika spalinowego, który pracuje optymalnie jedynie w wąskim zakresie obrotów. To tutaj widać przewagę silnika elektrycznego, którego zakres obrotów użytecznych jest wielokrotnie większy i który nie potrzebuje skrzyni biegów.

Dla silnika spalinowego jednoczesne spełnianie założeń w postaci sprawnego ruszenia z miejsca, dobrego przyspieszenia i osiągnięcia wysokiej prędkości maksymalnej jest nie do osiągnięcia bez zastosowania skrzyni biegów. A przecież dziś to jedne z podstawowych wymogów i parametrów, które porównywane są w testach poszczególnych pojazdów.

Jeśli spojrzymy na charakterystykę szybkościową przykładowego silnika spalinowego o zapłonie ZI, to wykres przedstawia parametry od minimalnej wartości granicznej – zwykle 1000 obr./min. aż do maksymalnej - w większości przypadków 7000 obr./min. dla aut osobowych. Można dla uproszczenia przyjąć, że taki silnik jest w stanie przyspieszać w prezentowanym zakresie obrotów.

Jeśli taka jednostka miałaby jedno przełożenie, to można przyjąć, że przy 1000 obr./min. osiągałby 10 km/h, a przy 7000 obr./min. 70 km/h. Pamiętajmy jednak, że typowy wolnossący silnik ZI niechętnie przyspiesza w przy najniższych prędkościach wału korbowego. Trudno także nazwać komfortową jazdę z prędkością 70 km/h przy obrotach maksymalnych. Nie zniósł by tego ani silnik, ani pasażerowie.

Zakres obrotów użytecznych jest znacznie mniejszy i zależy od konkretnego silnika. Dla silnika spalinowego najkorzystniejsza jest praca w okolicach obrotów gdzie osiąga maksymalny moment obrotowy – to właśnie wtedy silnik ma największą sprawność. W założonej sytuacji przykładowej byłaby to jedna, konkretna prędkość – np. 43km/h jeśli silnik osiąga maksymalny moment obrotowy przy 4300 obr./min.

Eksploatacja samochodu to jednak praca silnika w bardzo zmiennych warunkach. To nieustanne ruszanie, przyspieszanie i zwalnianie, a niekiedy jazda ze stałą, wysoką prędkością. Już to pierwsze nie jest takie oczywiste, bo co dzieje się poniżej 1000 obr./min. i szybkości 10km/h? Jeśli rozszerzymy typowy wykres charakterystyki szybkościowej i skoncentrujemy się na obszarze poniżej 1000 obr./min., to dostrzeżemy że poniżej tej wartości silnik dalej pracuje, ale moc którą osiąga jest na tyle niewielka, że zazwyczaj w całości pochłaniana przez opory ruchu poszczególnych elementów.

Moment obrotowy przy zerowych obrotach też jest zerowy, bo spełnione musi być jedno z podstawowych równań, jakim jest zależność pomiędzy mocą a momentem obrotowym. Moc to iloczyn momentu obrotowego i aktualnej prędkości obrotowej wału korbowego. Co jest zatem potrzebne, aby auto w ogóle ruszyło z miejsca?

Po pierwsze duże przełożenie pierwszego biegu, w połączeniu z niezbędnym do ruszenia sprzęgłem, którego poślizg w pierwszej fazie ruszania pozwoli na nieproporcjonalnie duże obroty wału korbowego w porównaniu z aktualną prędkością.

Następnie potrzeba co najmniej kilku przełożeń, aby płynnie przejść z wysokiego przełożenia biegu pierwszego do nadbiegu (czyli przełożenia poniżej jedności) biegu najwyższego, który umożliwia osiągnięcie odpowiedniej ekonomiki w jeździe po trasie oraz zazwyczaj wysokiej prędkości maksymalnej. Dlaczego zazwyczaj? Dlatego, że najwyższe przełożenie nie zawsze służy osiąganiu prędkości maksymalnej i są samochody, w których osiąga się ją na innym niż najwyższe przełożeniu.

Ile powinno być tych biegów? Z punktu widzenia optymalnych warunków pracy silnika nieskończenie wiele. Stąd wywodzi się idea skrzyń bezstopniowych, które potrafią płynnie zmieniać przełożenia i zapewnić teoretycznie nieskończoną liczbę przełożeń.

W przypadku manualnej skrzy przekładniowej inżynierowie starają się tak dobrać przełożenia, aby za ich pomocą odwzorować tzw. krzywą stałej mocy, czyli siły napędowej na kołach w funkcji prędkości pojazdu. To właśnie siła napędowa na kołach w rzeczywistości napędza pojazd i jest ona iloczynem momentu obrotowego silnika oraz sumarycznego przełożenia w zespole napędowym. Dodatkowo jest zredukowana o wszelkie opory ruchu, które występują w całym układzie napędowym.

Wykresy poszczególnych biegów są podobne do wykresów momentu obrotowego z charakterystyki szybkościowej silnika spalinowego, bo de facto są jej odwzorowaniem, tyle że w różnej skali. Im lepsze dopasowanie, tym praca silnika jest bliższa optymalnej. Oczywistym jest, że im więcej poszczególnych przełożeń, tym lepiej można odwzorować teoretyczną krzywą stałej mocy. Wtedy luki pomiędzy poszczególnymi krzywymi siły napędowej na poszczególnych biegach a krzywą teoretyczną są najmniejsze.

Na wykresie widać wyraźnie, że istnieją miejsca, w których żadne z przełożeń nie jest bliskie optymalnemu – przy niewielkiej ich liczbie jedno przełożenie jest zbyt wysokie, a drugie za niskie. Stąd wynika tendencja do zwiększania liczby przełożeń. Im więcej biegów, tym lepsze osiągi samochodu. A w przypadku gdy nie jest potrzebna znaczna siła napędowa bieg można dobrać tak, aby prędkość obrotowa wału korbowego była jak najniższa. Zapewni to zmniejszenie poziomu hałasu oraz zużycia paliwa.

W skrzyniach manualnych liczba przełożeń ograniczona jest jednak komfortem jazdy – nie każdy kierowca chciałby w autach osobowych rozpędzać się jak w ciężarówce i korzystać z 16 przełożeń. Każda taka zmiana to także czas, co pogarsza wyniki przyspieszeń mimo większej sprawności całego przyspieszania. Dlatego w samochodach osobowych zazwyczaj obecnie stosuje się skrzynie 5 i 6-biegowe, choć i od tej praktyki są wyjątki (np. 7-biegowa skrzynia manualna w Porsche 911).

Zupełnie inaczej jest przy skrzyniach automatycznych i zautomatyzowanych. Tutaj czas zmiany biegu jest bardzo krótki, często prawie pomijalny dla wyników przyspieszeń. Stąd coraz popularniejsze przekładnie 8, 9 i 10-biegowe, które mają możliwość sprawnego doboru przełożenia do aktualnych potrzeb dynamicznych. Podczas przyspieszania stosowane są niskie przełożenia, a gdy tylko istnieje taka okazja skrzynia wykorzystuje się przełożenie maksymalne – np. jazda ze stałą prędkością 60km/h na załączonym najwyższym biegu w 8-biegowych skrzyniach ZF.

Znaczna liczba biegów i mądre oprogramowanie które nimi steruje to niższe zużycie paliwa oraz mniejsza emisja CO2 przy zachowaniu podobnej dynamiki jazdy – a taki rezultat dla większości producentów jest najcenniejszy.

Zobacz także:

Jak jeździć poprawnie autem ze skrzynią automatyczną [cz.1]

Jak jeździć poprawnie autem ze skrzynią automatyczną [cz.2]