Automatyczne skrzynie biegów to przyszłość

Pierwsze informacje o automatycznej przekładni w samochodzie pojawiły się w 1909 r. Jeszcze przed Drugą Wojną Światową w USA wprowadzono elektryczną zmianę biegów z przyciskami przy kierownicy. Miały ją auta marki Haynes.

„Automat” bliżej ideału
Skrzynia biegów jest mechanizmem, który pozwala w sposób efektywny i ekonomiczny wykorzystać dynamikę silnika. Silnik spalinowy jest bowiem mocno niedoskonały, nie osiąga maksymalnego momentu obrotowego od najniższych obrotów i nie utrzymuje go do obrotów maksymalnych. A to oznacza, że zakres obrotów, w którym silnik ma zdolność pokonywania największych obciążeń jest stosunkowo niewielki. Skrzynia biegów pomaga utrzymać obroty silnika właśnie w tym korzystnym zakresie, kiedy silnik jest najmocniejszy. Trzeba przy tym pamiętać, że to moment obrotowy a nie moc jest wyznacznikiem rzeczywistej „siły” jednostki napędowej.

Niezwykle istotnym parametrem układu napędowego w samochodzie jest wykres stałej mocy, pokazujący siłę napędową na kołach w funkcji prędkości samochodu. Wykresy sił napędowych na każdym z biegów powinny być jak najbardziej zbliżone do krzywej mocy. Im więcej przełożeń tym lepiej można dopasować wykresy, dlatego liczba przełożeń w skrzyniach biegów sukcesywnie rośnie. Najlepiej, by było ich nieskończenie wiele, wówczas wykresy będą do siebie najbardziej zbliżone. I tu kłaniają się przekładnie automatyczne. Zwłaszcza bezstopniowe, bo właśnie one mają nieskończoną liczbę przełożeń. Również innego typu automaty górują pod tym względem na skrzyniami manualnymi, bowiem potrafią dobrać odpowiednie przełożenie i moment, w którym powinno być załączone. A zatem w samochodach z „automatem” wykresy krzywych, pokazujących siłę napędową na kołach będą w większości przypadków lepiej dopasowane do krzywej mocy niż w autach ze skrzyniami manualnym/

Historia ewolucji skrzyń biegów
Pierwszą automatyczną przekładnię zbliżoną do obecnych konstrukcji zamontowano w Oldsmobile Custom Cruiser w 1939 r. Skrzynią o nazwie Hydra-Matic można było cieszyć się za dopłatą zaledwie 57 dolarów. Nic dziwnego, że cieszyły się ogromną popularnością. W Europie automatyczna zmiana przełożeń, i to bezstopniowa, zadebiutowała w 1958 r.

System oparty był na przekładniach pasowych z kołami o zmiennej średnicy, a opracowała go holenderska firma DAF. Konstrukcja była kłopotliwa, miała długie, klasyczne paski klinowe prowadzone do tylnych kół i wymagała częstej ingerencji serwisu. Z czasem ideę kół pasowych o zmiennej średnicy i współpracującego z nimi paska klinowego (ale już bardzo krótkiego i wykonanego ze stali)  udało się zamknąć w niewielkiej obudowie. Stworzony został zwarty i lekki podzespół o nazwie CVT (ContinouslyVariable Transmission), opatentowany przez Holendra Hub van Doorne. Takie przekładnie bezstopniowe zadebiutowały w trzech seryjnych samochodach w 1987 r. (Subaru Justy ECVT, Fiat Uno Selecta i Ford Fiesta CTX). Fascynacja nowym wynalazkiem była tak wielka, że Patrick Head, dyrektor techniczny zespołu Williams, próbował w 1994 r. zastosować przekładnię CVT w bolidzie Formuły 1. Ostatecznie jednak nie zdominowały one rynku, konstruktorzy zaczęli skłaniać się ku tańszym i prostszym konstrukcjom.

Klasyczne „automaty”, takie w amerykańskim stylu, trafiły również do Europy i zaczęły być stosowane w wielu modelach. Zazwyczaj były to jednak auta duże, wyposażone w mocne silniki. Ich właściciele nie specjalnie przejmowali się podwyższonemu za sprawą takiej przekładni zużyciu paliwa (nawet o 15 % więcej) i nie odczuwali spadku dynamiki potężnych silników. Ale na Starym Kontynencie duże auta to margines, dominują pojazdy małe i oszczędne. W ich przypadku klasyczny automat to bardzo kiepskie rozwiązanie. Z pomocą przyszła elektronika, dzięki której zaczęły powstawać w coraz większej liczbie zautomatyzowane skrzynie biegów. To były tradycyjne przekładnie manualne, ale wyposażone w zestaw sterowników i siłowników zastępujących kierowcę przy zmianie przełożeń. Elektronika była bardzo istotna, bowiem obliczała kiedy i jaki bieg powinien zostać włączony.

Oprócz wyższego komfortu jazdy taki „automat” optymalizował też zużycie paliwa. Ponieważ tradycyjne przekładnie w wersji zautomatyzowanej były raczej powolne zaczęto poszukiwać lepszego rozwiązania. Sięgnięto po preselekcję biegów i układ dwusprzęgłowy, umożliwiający jej sprawny przebieg. Tak powstały dwusprzęgłowe przekładnie zautomatyzowane – dużo szybsze i sprawniejsze. Prace nad tego rodzaju przekładnią prowadził jeszcze przed Drugą Wojną Światową Francuz Adolphe Kegresse, ale dopiero Harry Webster, brytyjski inżynier pracujący swego czasu dla Triumpha, opracował jej działający model. Zdobył też patent na system analogowo-cyfrowy system sterujący. Pierwszym poligonem doświadczalnym dla „dwusprzęgłówek” były wyścigi samochodowe w latach osiemdzisiątych (Porsche, Audi). Pierwszym seryjnym autem drogowym z dwusprzęgłową przekładnią zautomatyzowaną był VW Golf R32 z 2003 r.

Automatyczna zmiana przełożeń, niezależnie w jakiej formie, to wyższy komfort jazdy i bezpieczniejsza podróż. Kierowca może skupić się na ruchu drogowym, zmiana biegów nie rozprasza jego uwagi. W przypadku niektórych konstrukcji „automat” pozwala też oszczędzać paliwo i jeździć bardziej ekonomicznie. Elektronika dobiera najbardziej optymalne w danych warunkach przełożenie, co nie zawsze potrafi wykonać kierowca. Nie można też zapominać, że automatyczne przekładnie to również zbawienie dla osób niepełnosprawnych, które chcą jeździć samochodem. W wielu przypadkach manualna zmiana biegów po prostu nie wchodzi w rachubę. Zalety „automatów” i coraz bardziej przystępne ceny sprawiają, że są one wręcz skazane na sukces. Skrzynie manualne pozostaną z nami z pewnością jeszcze wiele lat, ale udział przekładni automatycznych w rynku będzie się sukcesywnie zwiększał.

Rodzaje przekładni z automatyczną zmianą przełożeń

Automatyczna skrzynia stopniowa

Stopniowe przekładnie automatyczne z biegami przełączanymi pod obciążeniem zwane są powszechnie „klasycznymi automatami”. Elementem umożliwiającym ruszanie jest w ich przypadku przekładnia hydrokinetyczna, czyli hydrauliczny przetwornik momentu obrotowego. Zasadniczymi elementami samej skrzyni są planetarne zestawy kół zębatych i wałki (pracujące w różnych układach), sprzęgła wielopłytkowe oraz pompa oleju, niezbędna do wytworzenia ciśnienia sterującego. Duża liczba precyzyjnych i trudnych do obróbki elementów, takich jak koła zębate o zewnętrznym i wewnętrznym uzębieniu, konieczność zespolenia z przekładnią hydrokinetyczną, skomplikowany montaż oraz konieczność stosowania wysokiej jakości oleju przekładniowego przekładają się na wysokie koszty produkcji.

W większości przypadków, przy odpowiedniej obsłudze i stosowaniu się do zaleceń producenta, automatyczne skrzynie stopniowe działają płynnie, rzadko się psują i prezentują wysoką trwałość. Jednak z racji dużych oporów wewnętrznych (mechanicznych i hydraulicznych) oraz przerw w przenoszeniu momentu obrotowego powodują istotne podwyższenie zużycia paliwa. W starszych konstrukcjach nawet do 15 %, w nowszych ok. 10 %. Coraz większy udział sprawnej elektroniki pozwala precyzyjniej dobierać przełożenia do zaprogramowanego trybu jazdy, albo automatycznie dostosowywać momenty zmiany przełożeń do stylu jazdy kierowcy. Poprawę dynamiki i ekonomiki osiągnięto również za sprawą większej liczby przełożeń, która obecnie może sięgać nawet dziewięciu. Udało się także zlikwidować tak zwany „efekt pełzania”, czyli powolnego toczenia się samochodu podczas postoju przy włączonym trybie jazdy, co było jedną z wad klasycznych „automatów”.

Automatyczna przekładnia bezstopniowa

Przekładnie zwane powszechnie CVT stale przenoszą moment obrotowy podczas zmiany przełożeń. Zmiany te odbywają się w sposób ciągły i bezstopniowy, co w bardziej obrazowy sposób można określić nieskończoną liczbą przełożeń o bardzo dużej rozpiętości. Z charakterystyki silnika elektronika sterująca wybiera zakres optymalnego zużycia paliwa lub najlepszego przyśpieszenia, dostosowując działanie przekładni do sposobu eksploatacji samochodu. Chociaż występują straty mechaniczne, związane z napędem pompy wysokociśnieniowej i tarciem paska klinowego o koła pasowe, to jednak całkowita sprawność przekładni bezstopniowej jest wyższa niż klasycznego „automatu”.

Przekładnia CVT składa się z wariatora, zbudowanego z dwóch dzielonych tarcz stożkowych, których części mogą być przesuwane względem siebie za sprawą oleju pod ciśnieniem. Skutkiem takiego przesunięcia jest zmiana promienia opasania przez stalowy pas klinowy, a w konsekwencji płynna zmiana przełożenia. Do ruszania stosowane jest sprzęgło hydrokinetyczne, przekładnia hydrokinetyczna albo sprzęgło wielopłytkowe. Automatyczne przekładnie, działające na podobnej zasadzie, są obecnie powszechnie stosowane w skuterach. Tam jednak pasek klinowy wykonany jest zazwyczaj z wysokowytrzymałych tworzyw sztucznych.

Zautomatyzowana przekładnia stopniowa

Są to tradycyjne, manualne skrzynie biegów wyposażone w elektroniczny system sterowania i elementy wykonawcze, zwane też serwomechanizmami. Zmiany biegów dokonuje w nich pneumatyczny, hydrauliczny, elektryczny, elektromechaniczny lub elektrohydrauliczny element wykonawczy, który wyręcza kierowcę w zmianie przełożeń. Układ sterujący decyduje z kolei, jakie przełożenie powinno być załączone. Zaletą tego rozwiązania jest niski koszt produkcji, zwarta budowa, małe opory mechaniczne (takie jak w klasycznej skrzyni manualnej oraz optymalne zużycie paliwa przy odpowiednio skonfigurowanym oprogramowaniu. Wadę stanowią przerwy w przenoszeniu momentu obrotowego, niejednokrotnie dłuższe niż w przypadku tradycyjnego „manuala” (wolniejsze działanie siłowników niż ręki sprawnego kierowcy).

Zautomatyzowana, stopniowa przekładnia dwusprzęgłowa

To swego rodzaju rozwinięcie przekładni zautomatyzowanych, pozbawione zasadniczej ich wady - przerw w przekazywaniu momentu obrotowego. W konstrukcji typu dwusprzęgłowego układ kół zębatych jest praktycznie identyczny jak w tradycyjnej, manualnej przekładni z trzema wałkami. Jednak wałek wejściowy ma podwójną konstrukcję i stanowi zestaw dwóch wałków współosiowych. Każdy z wałków zespolony jest ze „swoim” sprzęgłem. Koła zębate podzielone są na grupy, odpowiadające biegom parzystym i nieparzystym. Wałki sprzęgają się z odpowiednim zestawem kół zębatych. Moment obrotowy z silnika przekazywany jest na każdy z wałków poprzez oddzielne sprzęgła (suche lub mokre).

Ponieważ przy zmianie biegów włączają się jednocześnie dwa biegi, aktualnie włączany, aktywny i kolejny, który będzie aktywizowany później, możliwa jest bardzo szybka zmiana przełożenia, bez przerwy w przekazywaniu momentu obrotowego. Skrzynie dwusprzęgłowe są masywniejsze i cięższe ze względu na większe obciążenie łożysk. Są też większe ze względu na obecność dwóch sprzęgieł i potrzebują więcej miejsca do zabudowy. Są sporo droższe w produkcji od zwykłych skrzyń zautomatyzowanych ze względu na bardziej skomplikowaną budowę (dwa sprzęgła, współosiowe wałki) i bardziej zaawansowany. Są jednak dużo szybsze w działaniu i pozwalają uzyskać duże oszczędności na paliwie.