Automatyczne skrzynie biegów. Jak działają skrzynie CVT, e-CVT, DSG?

Podczas ruszania i jazdy pod wzniesienie przełożenie powinno być większe (co oznacza załączone większe koło w przerzutce na tylnej piaście), a przy dużych prędkościach przełożenie jest małe (zmieniamy na najmniejsze koło). Pomiędzy tymi skrajnymi punktami jest szereg przełożeń pośrednich, zmienianych w czasie jazdy. Taka regulacja gwarantuje, że nie mamy zadyszki i nie odczuwamy nadmiernego zmęczenia, a dodatkowo przy jednakowym obciążeniu mięśni nóg jedziemy płynnie. Oczywiście kiedy zmieniamy przełożenie zależy od samego kolarza i jego wydolności organizmu. Nie inaczej jest w przypadku silnika spalinowego.

Tylko wybór odpowiedniego przełożenia gwarantuje, że dany silnik będzie pracował bez nadmiernych obciążeń, co byłoby równoznaczne z większym spalaniem i wyższą (niekorzystną) temperaturą pracy lub z gorszymi osiągami. Stąd też od początku motoryzacji trwały prace nad opracowaniem skrzyń biegów pozwalających na precyzyjny i komfortowy dobór przełożenia. Koncentrowano się też nad opracowaniem zmiany przełożenia bez ingerencji kierowcy, w chwili najbardziej optymalnej do danego obciążenia. Prawdziwym przełomem w tym zakresie był -zaprezentowany w roku 1938- projekt skrzyni Hydramatic złożonej ze sprzęgła hydrokinetycznego i zespołu przekładni planetarnych sterowanej momentem obrotowym silnika oraz stopniem otwarcia przepustnicy. Skrzynia ta (skonstruowana przez Amerykanina Gastona Fleisch) po raz pierwszy została użyta w samochodach marki Oldsmobile w roku 1940, a wkrótce inni producenci zaczęli wprowadzać skrzynie biegów o konstrukcji zbliżonej do skrzyń Hydramatic. W latach 1948–1955 wszyscy producenci samochodów osobowych w USA wprowadzili skrzynie automatyczne, które szybko stały się dominujące (np. do samochodów marki Pontiac skrzynię Hydramatic wprowadzono w 1948 r. i od razu była ona montowana w 70% sprzedanych pojazdów). Jednakże nie było to rozwiązanie idealne. Problemem okazała się gorsza dynamika samochodu, większe zużycie paliwa, a także znacznie wyższa cena modeli z automatem. To dlatego producenci europejscy, na zniszczonym po wojnie kontynencie, nie zdecydowali się na skrzynie automatyczne. Zastosowano je wprawdzie już w latach pięćdziesiątych XX wieku, ale były to jedynie oferty w samochodach luksusowych: Rolls-Royce w 1952 r., a Daimler-Benz w 1961 r.

Także rozwiązania oferowane w latach 90-tych XX wieku, a nawet na początku lat 2000 nadal były dalekie od ideału. Nie dość, że samochody były wolniejsze i mniej dynamiczne, to zużywały znacznie więcej paliwa (dane z roku 2004 - Opel Vectra 2,2 147 KM: przysp 10,2 sek/10,8 sek aut, śr spalanie w mieście 11,9 l/100 km - 13,6 l/100km aut, VW Passat 1,8 150 M: przysp 9,2 sek/10,5 sek aut, śr spalanie w mieście 11,4 l/100 km -13,4 l/100km aut)

Pewną innowacją była opracowana w roku 1958 w holenderskiej firmie DAF skrzynia biegów bezstopniowa CVT (ang.Continously Variable Transmission) w której o aktualnym przełożeniu decydują stożkowe koła współpracujące z paskiem lub łańcuchem. DAF z powodu niskiej opłacalności produkcji sprzedał dział zajmujący się produkcją aut osobowych szwedzkiej firmie Volvo, a wraz z fabryką przejęto również bardzo nowoczesny, prawie ukończony projekt późniejszego modelu znanego jak Volvo 300. To właśnie ten model rozsławił skrzynię CVT.

Wykorzystywany w pojazdach osobowych układ CVT to szczególny rodzaj przekładni pasowej. Każde z jej dwóch kół pasowych składa się z połówek w postaci płaskich stożków, które można do siebie zbliżać lub oddalać i w ten sposób regulować głębokość, na jaką pas przekładni wchodzi między stożki – a zatem efektywną średnicę koła w punkcie jego styku z pasem. Zbliżając do siebie połówki jednego koła, a drugiego oddalając – lub odwrotnie – można płynnie zmieniać przełożenie. Za regulacje położenia połówek kół odpowiadają siłowniki hydrauliczne. Obecnie pracą układu steruje komputer, który synchronizuje pracę przekładni i silnika z uwzględnieniem prędkości pojazdu, położenia pedału gazu, szybkości nacisku na pedał przyspieszenia itd.

Ponieważ podczas dynamicznego ruszania i przyspieszania przekładnia przenosi duży moment obrotowy, pas transmisyjny -aby cały czas zapewnić odpowiedni kontakt z kołami pasowymi- ma postać stalowej taśmy z nakładkami w kształcie klinów.

Pomimo tego rozwiązania, ostry styl jazdy może narazić przekładnię na przedwczesne zużycie.

Aby temu zaradzić, konstruktorzy koncernu Toyota wzbogacili klasyczną CVT o dodatkową przekładnię zębatą, która odciąża przekładnię pasową podczas ruszania i początkowej fazy przyspieszania. Nowa przekładnia Direct Shift-CVT, która znalazła już zastosowanie w najnowszym miejskim crossoverze Lexus UX, zapewnia płynność jazdy charakterystyczną dla CVT, a jednocześnie pozwala przy ruszaniu z miejsca uzyskać przyspieszenia takie, jak przekładnia manualna. Zastosowanie przekładni zębatej pozwoliło również rozszerzyć zakres pracy przekładni CVT w strefie wysokich przełożeń, a także, dzięki ograniczeniu obciążeń, zmniejszyć wymiary całego urządzenia.

Skrzynie CVT stosowane są lub były w Volvo, Audi, Renault, Subaru, Toyota, Renault. Nissan,

Warto zauważyć, że funkcje przekładni bezstopniowej realizuje również układ złożony z przekładni planetarnej, silnika elektrycznego i generatora, stanowiący serce hybrydowych jednostek napędowych samochodów Toyoty i Lexusa. W układzie tym, zwanym e-CVT, przekładnia planetarna dokonuje podziału momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika spalinowego między koła pojazdu a generator, zaś silnik elektryczny zasilany z generatora i akumulatora trakcyjnego wspomaga moment obrotowy silnika spalinowego podczas dynamicznego ruszania i przyspieszania. Dodatkową korzyścią, której nie daje zwykła przekładnia CVT, jest odzyskiwanie energii przez układ hybrydowy podczas hamowania rekuperacyjnego, co walnie przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa.

Skrzynie e-CVT stosowane są w samochodach Toyota, Lexus

Zalety – podczas delikatnej jazdy

• optymalny dobór przełożenia do parametrów pracy silnika
• doskonała elastyczność pracy bez przerw w przekazywaniu momentu na koła
• cicha praca
• niski zużycie paliwa podczas delikatnego operowania pedałem przyspieszenia   

Wady – podczas nagłego przyspieszania

• charakterystyczny wzrost prędkości obrotowej silnika i wolny wzrost prędkości pojazdu
• znaczna głośność silnika poprzedzająca zwiększenie prędkości
• wolniejsze przyspieszenia niż w przypadku DSG
• wysokie zużycie paliwa podczas dynamicznego operowania pedałem przyspieszenia, znacznie przekraczające wartości w modelach z manualną skrzynią przekładniową

Dla osób lubiących stateczną jazdę bez gwałtownych przyspieszeń. Doskonale sprawdzają się też w silnikach turbodoładowanych o wysokim i stałym momencie obrotowym (np. Subaru Levorg 170 KM), gdzie problem opóźnienia przyspieszenia i wzrostu hałasu praktycznie nie istnieje

Mimo prób wprowadzenie skrzyni CVT na przełomie wieków Europa i USA nadal były dwoma zupełnie różnymi światami pod względem stosowanych skrzyń biegów. W Ameryce Północnej, gdzie faworyzowano przekładnie automatyczne, na przełomie wieków taki rodzaj skrzyni biegów wybierało 88 procent kupujących samochody. W tym samym czasie w Europie Zachodniej w automaty wyposażano jedynie 14 procent aut, a większość były to wersje wyższych klas. Chodziło nie tylko o wyższą cenę tego rodzaju przekładni. Mechaniczne skrzynie biegów pozwalały na bardziej sportową jazdę, a wyposażone w nie samochody zużywały mniej paliwa.

Sukces „automatu” w Europie rozpoczął się w 2003 roku. Wtedy to, do Golfa R32 z silnikiem o mocy 241 KM. zaoferowano w ramach opcji 6-biegową przekładnię DSG. Ten nowy rodzaj automatycznej skrzyni biegów zmieniał przełożenia w szybki, sportowy sposób i pozwalał oszczędzić do 20 procent paliwa w porównaniu z klasyczną automatyczną skrzynią biegów. I to zapoczątkowało przełom.

Podstawę konstrukcji stanowi skrzynia manualna z trzema wałkami. Zastosowanie podwójnego sprzęgła wielopłytkowego z regulacją elektrohydrauliczną pozwala na załączenie dwóch biegów równocześnie. Podczas dynamicznej jazdy załączony jest jeden bieg (sterowany przez jedno sprzęgło), jednak wyższy bieg wyczekuje cały czas w położeniu gotowości do błyskawicznego uaktywnienia (steruje nim drugie sprzęgło). Po osiągnięciu momentu idealnego do zmiany biegu, otwiera się sprzęgło biegu niższego, podczas gdy inne sprzęgło zamyka się w celu uaktywnienia biegu wyższego. Dochodzi przy tym do „nałożenia" otwierania i zamykania obu sprzęgieł – w efekcie do szybkiego, komfortowego przełączania. Cała reakcja odbywa się w czasie krótszym niż 0,2 sekundy. Dodatkowo, obroty spadają wówczas tylko nieznacznie, a czas zaniku siły napędowej, który towarzyszy konwencjonalnemu przełączaniu biegów, jest zredukowany do minimum. Jazda staje się płynniejsza i bardziej dynamiczna (porównanie działania skrzyni dwuprzęsłowej i manualnej pokazuje film Alfy Romeo).

Dodatkowo kierowca może w każdej chwili (przy pomocy dźwigni zmiany biegów lub przy pomocy łopatek znajdujących się przy kierownicy) aktywnie współdziałać przy wyborze biegu, co daje kierownicy poczucie jazdy z manualną przekładnią.

Można również wykorzystać klasyczną automatyczną zmianę przełożeń. W tym wypadku kierowca ma dodatkowo możliwość wyboru programu sportowego - tryb S, ze znacznie późniejszym momentem przełączania i wcześniejszym momentem redukcji biegów oraz krótszym czasem przełączania.

Zalety bez względu na dynamikę jazdy

• szybki czas załączania biegu
• brak zaniku siły napędowej, czyli brak szarpania podczas jazdy
• dynamika jazdy lepsza niż w przypadku wersji manualnej
• zużycie paliwa mniejsze niż w przypadku modeli manualnych

• awaryjność skrzyni w samochodach używanych

Naprawdę skrzynia DSG jest idealnym połączeniem komfortu automatycznej zmiany biegów, a dodatkowo szybkości przełożeń i związanej z tym dynamiki pojazdu. Atutem jest także niższe zużycie paliwa niż w samochodach ze skrzynią manualną.

Niestety w przypadku zakupu samochodu używanego, możemy natrafić w wersjach z przebiegiem ponad 150 tys km na uszkodzenie elementu sterującego pracą sprzęgieł oraz na zużycie sprzęgieł (objawem jest szarpanie przy zmianie biegów). Skrzynia DSG nie jest bowiem tak długowieczna jak klasyczny automat

Ponad 15 lat temu Volkswagen zaprezentował pierwszą wielkoseryjną dwusprzęgłową skrzynię biegów (DSG) – automatyczną przekładnię nowej ery. W 2018 roku dwusprzęgłowe skrzynie biegów montowano w ponad 40 procentach Golfów sprzedawanych w Niemczech. Nawet w wypadku Polo, auta mniejszego niż Golf, liczba ta przekracza 30 procent; w Golfie Sportsvanie jest to 50 procent. Na podobnym poziomie utrzymuje się liczba skrzyń biegów DSG w nowo sprzedawanych Volkswagenach T-Roc i Tiguan. W wypadku większego od nich Tiguana Allspace udział przekładni DSG stanowi nawet 90 procent. W Passacie jest to średnio 60 procent (limuzyna) i 70 procent (kombi), a Arteon zbliża się już do 80 procent.

Dwusprzęgłowe skrzynie biegów są stale doskonalone i nie są to już tylko modele grupy VW. Aktualnie oferowane są w samochodach Skoda, Volkswagen, Audi, Seat, Mercedesa, Alfa Romeo, Kia, Hyundai, Renault, Ford itd. Coraz częściej standardem staje się w nich funkcja żeglowania, podczas której następuje odłączenie silnika od układu przeniesienia napędu, aby wykorzystać energię kinetyczną pojazdu i w ten sposób dodatkowo oszczędzić paliwo. W ofercie znajduje się też 6-biegowa przekładnia DSG (DQ400E-6, do 400 Nm) stosowana jako moduł z silnikiem elektrycznym, wykorzystywany w modelach hybrydowych typu plug-in, jak Golf GTE i Passat GTE. Tym samym dwusprzęgłowe skrzynie biegów znakomicie nadają się do nowoczesnych hybrydowych zespołów napędowych. Choćby z tego powodu przyszłość należy właśnie do przekładni DSG.

Zobacz także: Testujemy Volkswagena Polo