Przeniesienie napędu w automatycznej skrzyni biegów

Historia motoryzacji sięga XIX wieku. Inżynierzy pierwszych samochodów mieli nie lada orzech do zgryzienia. Z teoretycznego punktu widzenia do napędu pojazdu najlepiej nadawała się wówczas maszyna parowa oraz silnik elektryczny.

Oba źródła napędu pozwalały osiągnąć duży moment obrotowy przy niewielkich obrotach i dawały się uruchomić pod obciążeniem. Silnik spalinowy natomiast tego nie potrafił – trzeba było uruchamiać go bez obciążenia. Oprócz tego na obrotach biegu jałowego dysponował mocą pozwalającą jedynie na pokonanie oporów ruchu współpracujących ze sobą części. 

Inżynierzy nie poddawali się, zwłaszcza przez fakt, że ogromnym plusem silnika spalinowego była możliwość wykorzystania do jego zasilania benzyny, która zajmowała niewielką objętość i zapewniała maksymalny zasięg pojazdu. W końcu się udało – niewielki moment obrotowy przy niskich obrotach silnika zastąpiono początkowo za pomocą sprzęgła, a następnie sprzęgła i skrzyni biegów. 

Sprzęgło

Sprzęgło umożliwia rozłączenie napędu od silnika i uzyskanie przez niego znacznie wyższej prędkości obrotowej. Poślizg powstający na sprzęgle przy wysokiej prędkości obrotowej umożliwia ruszenie pojazdu. Początkowo przełożenie przekładni przenoszącej napęd z silnika na koła było dobrane tak, aby umożliwić ruszenie z miejsca i było stałe, co uniemożliwiło samochodom uzyskanie wysokich prędkości i pokonywanie wzniesień. Problem ten rozwiązało skonstruowanie przekładni, która umożliwiła zmianę przełożeń w trakcie jazdy. Rewolucyjnym krokiem w rozwoju mobilności okazał się wynalazek francuskiego konstruktora – René Panharda, który wykorzystał w swoim pojeździe, napędzanym silnikiem Daimlera, skrzynię biegów własnej budowy. Idea skrzyni biegów wymyślona przez Panharda przetrwała do dnia dzisiejszego, a współczesne przekładnie automatyczne są wynikiem ewolucji tego pomysłu w ciągu całego wieku. 

W obrębie układu napędowego możemy wyróżnić obecnie kilka rodzajów sprzęgieł:

• cierne – przeniesienie momentu następuje poprzez połączenie cierne; typowe dla skrzyń mechanicznych,
• hydrokinetyczne – ruch obrotowy z elementu czynnego do biernego jest przenoszony za pośrednictwem cieczy; używane w skrzyniach automatycznych,
• wiskotyczne – stosowane w samochodach z napędem na cztery koła. 

Skrzynia automatyczna

Pierwsze skrzynie biegów wzorowane na rozwiązaniu Panharda miały tylko koła zębate o prostych zębach i nie posiadały synchronizatorów. W konsekwencji, do ich obsługi potrzeba było niebanalnych zdolności – stąd jedynie nieliczni mogli pełnić wówczas zaszczytną funkcję szofera. Automatyczna skrzynia biegów w najprostszym wydaniu składa się z sprzęgła hydraulicznego oraz przekładni planetarnej. Rozwiązanie to zapewnia trzy zakresy pracy do przodu oraz jeden do tyłu. Prowadzenie pojazdu wyposażonego w automatyczną skrzynię biegów ogranicza się oczywiście do obsługiwania pedału gazu i hamulca co zdecydowanie wpływa na poprawę komfortu jazdy. Automatyczny układ napędowy stał się standardem w Stanach Zjednoczonych. Amerykanie przez lata doprowadzili konstrukcję skrzyni automatycznej do perfekcji. Ogromną zaletą automatycznych skrzyni biegów jest przede wszystkim ich trwałość, która jest w zasadzie ograniczona jedynie żywotnością łożysk na wałkach skrzyni. 

Alternatywą do skrzyni automatycznej była natomiast przekładnia bezstopniowa, która zyskała zwolenników wśród europejskich konstruktorów. Od roku 1920 w Szwajcarii poruszał się pierwszy pojazd z prymitywnym, bezstopniowym układem napędowym. Mechaniczne skrzynie biegów będące domeną europejskich konstruktorów doskonale wykorzystywały ideę zastosowaną w rozwiązaniu Panharda i z czasem otrzymały kilka dodatkowych elementów, które uczyniły je przyjaznymi dla użytkownika, w tym między innymi wykorzystanie zębów skośnych, wprowadzenie synchronizatorów oraz usprawnienie układu wybierania poszczególnych przełożeń. Ze względu na znaczny wzrost natężenia ruchu, popularne w Stanach Zjednoczonych automaty znalazły także w Europie coraz większą liczbę zwolenników. Poruszanie się w ulicznych korkach jest bowiem zdecydowanie mniej męczące jeżeli samochód wyposażony jest w automatyczną skrzynię biegów. 

Stały rozwój

Wciąż rosnące wymagania rynku motoryzacyjnego wymusiły u inżynierów wynalezienie skrzyni, która spełni zachcianki użytkowników marzących o tym by skrzynia w ich samochodzie w zależności od nastroju – mogła samoczynnie zmieniać biegi – bądź w razie ochoty na rajdową przejażdżkę, umożliwiała wybieranie poszczególnych biegów przez kierowcę. Wszystko to wpłynęło na dalszy rozwój skrzyń automatycznych. 

Zdecydowano się zastosować rozwiązania będące niejako kompromisem pomiędzy skrzynią automatyczną i mechaniczną. Za przykład można podać Renault Twingo Easy. Samochód nie posiada pedału sprzęgła, a w układzie napędowym wykorzystano mechaniczną skrzynię biegów. Sekret tkwi w automatycznym sprzęgle. Całkowicie elektronicznie sterowany układ hydrauliczny powoduje włączanie i wyłączanie sprzęgła. 

Cel i istota stosowania przełożeń

Skrzynia biegów to mechanizm układu napędowego, który służy uzyskaniu zmiany wielkości momentu obrotowego, wytwarzanego przez silnik, w celu osiągnięcia siły potrzebnej do pokonania oporów jazdy poruszającego się pojazdu. Skrzynia biegów, która stosowana jest w samochodach z tłokowymi silnikami spalinowymi umożliwia:

• zmianę momentu obrotowego,
• otrzymanie odpowiedniej prędkości wału napędowego,
• ruch samochodu do tyłu,
• odłączenie silnika od wału napędowego samochodu. 

Podział skrzyń

Ze względu na sposób uzyskania zmiany wartości przełożeń, skrzynie biegów można podzielić na: 

• stopniowe, w których ograniczoną liczbę przełożeń uzyskuje się skokami,
• bezstopniowe, w których w określonych granicach można uzyskać nieskończenie dużą liczbę przełożeń, zmieniających się w sposób ciągły. 

Do stopniowych zaliczamy wszystkie skrzynie biegów z przekładniami zębatymi. Określoną liczbę przełożeń uzyskuje się za pomocą odpowiedniej liczby kół zębatych, które w zależności od oporów jazdy mogą być włączane w czasie jazdy samochodem. Przekładnie bezstopniowe dzielimy natomiast na statyczne – zazwyczaj przekładnie cierne i dynamiczne – np. hydrokinetyczne. Stopniowe skrzynie biegów można także podzielić ze względu na sposób sterowania: 

• sterowane ręcznie,
• sterowane półautomatyczne,
• sterowane automatycznie. 

Skrzynie sterowane ręcznie umożliwiają włączenie wymaganej przekładni przez odpowiednie ustawienie dźwigni zmiany biegów przez kierowcę. Sterowanie półautomatyczną zmianą biegów zachodzi wtedy, gdy dobór biegu zależy od użytkownika lecz samo przełączanie odbywa się automatycznie – do tego rodzaju sterowania można zaliczyć między innymi sterowanie preselekcyjne. W skrzyniach sterowanych automatycznie wybór odpowiedniego przełożenia odbywa się samoczynnie, bez udziału kierowcy. 

Stopniowe skrzynie biegów można podzielić jeszcze według sposobu zazębiania się kół zębatych na skrzynie z przekładniami zębatymi o osiach stałych i o osiach obracających się. 

W jakim celu?

Skrzynia biegów odpowiada za:

• uzyskanie poszczególnych sił napędowych i korzystnych właściwości ekonomicznych,
• łatwość sterowania,
• cichobieżność pracy. 

Pierwsze spośród powyższych wymagań odbywa się za pomocą odpowiedniego doboru biegów i przełożeń kół na różnych biegach. Sterowanie skrzynią biegów jest znacznie łatwiejsze dzięki zastosowaniu synchronizatorów. Cicha praca skrzyni zależy natomiast w znacznym stopniu od rodzaju zastosowanych kół zębatych.