Witamy na stronie firmowej Midparts

Historia automatycznych skrzyń biegów

---

O skrzyniach i nie tylko.

Konstruktorzy pierwszych samochodów mieli nie lada orzech do zgryzienia. Do napędu samochodu mogli wykorzystać trzy dostępne na przełomie XIX i XX wieku źródła napędu:

• silnik elektryczny,
• silnik spalinowy,v
• maszynę parową.

Z teoretycznego punktu widzenia do napędu pojazdu najlepiej nadawała się maszyna parowa oraz silnik elektryczny.

Zarówno maszyna parowa jak i silnik elektryczny były gotowe do napędzania pojazdu już od chwili włączenia jednostki napędowej. Koła lokomotywy zaczynały się obracać już od pierwszego ruchu tłoczyska, na które napierała para, podobnie silnik elektryczny zaczynał napędzać maszynę w chwili włączenia go do prądu. Oba źródła napędu rozwijały duży moment obrotowy przy niewielkich obrotach i dawały się uruchomić pod obciążeniem. Tej sztuki nie potrafił natomiast silnik spalinowy - trzeba go było uruchamiać bez obciążenia.

Dużym jego plusem była natomiast możliwość wykorzystania do jego zasilania benzyny , która zajmowała niewielką objętość i zapewniała duży zasięg pojazdu. Zalety i wady trzech źródeł napędu powodowały rywalizację pomiędzy zwolennikami poszczególnych rozwiązań. Zwycięską ręką wyszli z tej "bitwy" konstruktorzy pojazdów napędzanych silnikiem spalinowym. Mały moment obrotowy przy niskich obrotach silnika zrekompensowali oni początkowo za pomocą sprzęgła a następnie sprzęgła i skrzyni biegów.

Silnik spalinowy na obrotach biegu jałowego dysponował mocą pozwalającą jedynie na pokonanie oporów ruchu współpracujących ze sobą części , pokonywał jedynie tzw. moc oporów wewnętrznych.

Moment obrotowy pojawiał się dopiero wraz ze wzrostem obrotów wału korbowego, a jego wartość rosła wraz z tymi obrotami. Taka charakterystyka silnika spalinowego wymagała zastosowania sprzęgła do ruszenia pojazdu z miejsca.

Sprzęgło umożliwiało rozłączenie napędu od silnika i uzyskanie przez niego (bez obciążenia) wyższej prędkości obrotowej. Poślizg na sprzęgle przy wysokiej prędkości obrotowej (a zarazem wyższym momencie obrotowym) umożliwia ruszenie pojazdu. Ponieważ przełożenie przekładni przenoszącej napęd z silnika na koła było dobrane tak, aby umożliwić ruszenie z miejsca i było stałe, początkowo samochody nie mogły uzyskiwać wysokich prędkości maksymalnych i pokonywać zbyt dużych wzniesień. Rozwiązaniem tego problemu było skonstruowanie przekładni, która umożliwiała zmianę poszczególnych przełożeń podczas jazdy.

Silnik spalinowy na początku swojej pracy, tzn. na małych obrotach ma za mały moment obrotowy by ruszyć pojazd z miejsca. Próba ruszenia bez odpowiedniej przekładni skończyłaby się albo "zgaśnięciem" silnika albo spaleniem sprzęgła. Z tego powodu stosuje się skrzynie biegów, które zwielokrotniają moment obrotowy oddawany przez silnik.

Na "jedynce" siła napędowa jest największa ale koła samochodu kręcą się najwolniej, na każdym kolejnym biegu siła napędowa na kołach zmniejsza się ale auto może jechać coraz szybciej. Pomysłu do konstrukcji skrzyń biegów dostarczyły przekładnie stosowane wcześniej w młynach wodnych, wiatrakach, maszynach przemysłowych, itp.

W roku 1891 francuski konstruktor - Panhard wykorzystał w swoim pojeździe, napędzanym dwucylindrowym silnikiem Daimlera, skrzynię biegów własnej konstrukcji.

Wymyślona przez Francuza przekładnia jest protoplastą współczesnych skrzyń mechanicznych. Na dwóch wałkach zamocowane były koła zębate o różnych średnicach.

Niektóre z nich miały możliwość przesunięcia ich wzdłuż osi wałka i zazębienie z kołem umocowanym na wałku sąsiednim co umożliwiało zmianę poszczególnych przełożeń. Napęd na koła tylne przenoszony był za pomocą przekładni łańcuchowej. Idea skrzyni biegów wymyślona przez Panharda przetrwała do dzisiaj , a współczesne przekładnie są wynikiem ewolucji tego pomysłu w ciągu całego wieku.

Skrzynie biegów wzorowane na rozwiązaniu Panharda w początkowej fazie miały koła zębate o prostych zębach i nie posiadały synchronizatorów. W konsekwencji, do ich obsługi potrzeba było niemal cyrkowych zdolności - dlatego jedynie nieliczni mogli pełnić zaszczytną wówczas funkcję szofera.

Automatyczna skrzynia biegów w najprostszym wydaniu składała się z:

• sprzęgła hydraulicznego,
• oraz przekładni planetarnej.

Takie rozwiązanie zapewniało trzy zakresy pracy do przodu oraz jeden do tyłu. Prowadzenie pojazdu wyposażonego w automatyczną skrzynię biegów ogranicza się zatem do obsługiwania pedału gazu i hamulca co zdecydowanie poprawia komfort jazdy. Taki układ napędowy stał się standardem w Stanach Zjednoczonych. Amerykanie doprowadzili konstrukcje tych skrzyń praktycznie do perfekcji a ich trwałość jest ograniczona jedynie trwałością łożysk na wałkach skrzyni.

Do lat siedemdziesiątych Europa nie mogła uporać się z takim rozwiązaniem układu przeniesienia napędu. Propozycją alternatywną do skrzyni automatycznej była natomiast przekładnia bezstopniowa, która zyskała kilku zwolenników wśród europejskich konstruktorów.

Już w roku 1920 w Szwajcarii poruszał się pojazd z prymitywnym, bezstopniowym układem napędowym. W latach 60. bezstopniową skrzynię biegów zastosowano w samochodzie zwanym Daffodil. Koła pasowe współpracujące z paskiem zębatym składają się z dwóch stożków, które mogą się do siebie zbliżać lub oddalać, w wyniku czego zmienia się średnica, na której pracuje pasek zębaty.

Dzięki temu istnieje możliwość płynnej zmiany przełożenia. Najbardziej "rozwojowa" jest przekładnia CVT wykorzystana między innymi do napędu Lancii Y10. Tu również pasek klinowy przenosi napęd między dwoma kołami pasowymi o zmieniających się płynnie średnicach, ale sam pas jest wykonany z szeregu płytek stalowych a nie z gumy. Dzięki temu rozwiązaniu może on przenosić znacznie większy moment obrotowy.

Mechaniczne skrzynie biegów będące domeną europejskich konstruktorów wykorzystywały co prawda ideę zastosowaną w rozwiązaniu Panharda, otrzymały jednak kilka dodatkowych elementów, które uczyniły je bardziej przyjazne dla użytkownika. Najważniejsze z nich to wykorzystanie zębów skośnych, wprowadzenie synchronizatorów oraz udoskonalenie układu wybierania poszczególnych przełożeń.

Skośne zęby oznaczają dla użytkownika zdecydowanie cichszą pracę, dzięki synchronizatorom natomiast zmiana biegów w górę i w dół odbywała się szybko i bez zgrzytów.

Wraz ze wzrostem natężenia ruchu w europejskich metropoliach, popularne w Stanach Zjednoczonych "automaty" znajdowały w Europie coraz większą liczbę zwolenników. Poruszanie się w ulicznych korkach jest zdecydowanie mniej męczące jeżeli samochód wyposażony jest w automatyczną skrzynię biegów.

Europejczycy to bardzo wybredni klienci, dlatego zażyczyli sobie skrzynię, która w zależności od ich nastroju - mogłaby sama zmieniać biegi - bądź, w razie ochoty na szybką przejażdżkę po górskich serpentynach, umożliwiała wybieranie poszczególnych przełożeń przez kierowcę. Niespokojny duch europejskich kierowców oraz chęć czerpania przyjemności z jazdy wymusiły zatem na konstruktorach dalszy rozwój skrzyń automatycznych.

W tańszych pojazdach stosowane są rozwiązania będące niejako kompromisem pomiędzy skrzynią automatyczną i mechaniczną. Przykładem jest Renault Twingo Easy. Samochód ten nie ma pedału sprzęgła, a w układzie napędowym wykorzystana jest mechaniczna skrzynia biegów. Tajemnica tego rozwiązania tkwi w automatycznym sprzęgle. Elektronicznie sterowany układ hydrauliczny odpowiada za włączanie i wyłączanie sprzęgła.

Cały system składa się z:

• pompy elektrycznej,
• siłownika,
• czujników (położenia pedału gazu, obciążenia silnika oraz aktualnego biegu),
• oraz centralki sterującej.

Umieszczony w dźwigni zmiany biegów sensor przesyła do urządzenia sterującego sygnał o konieczności zmiany przełożenia. Jednostka sterująca wysyła odpowiednie informacje do siłownika , który bezpośrednio powoduje rozłączenie napędu od silnika. Automatyczne sprzęgło zwiększa komfort jazdy, a jednocześnie ułatwia prowadzenie pojazdu. Za stosowaniem tego rozwiązania przemawia również takie samo jak w przypadku konwencjonalnej skrzyni biegów zużycie paliwa oraz względy ekonomiczne.

II Cel i istota stosowania synchronizacj

Skrzynia biegów jest mechanizmem układu napędowego, służącym do uzyskania zmiany wielkości momentu obrotowego, wytwarzanego przez silnik, w celu uzyskania na kołach napędowych 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, koniecznej do uzyskania wymaganej prędkości samochodu,
• ruch samochodu do tyłu, poprzez odwrócenie kierunku obrotów wału napędowego lub półosi napędowych,
• odłączenie silnika od wału napędowego samochodu, poprzez umieszczenie dźwigni zmiany biegów w położeniu neutralnym.

Podział skrzyń biegów

Ze względu na sposób uzyskania zmiany wartości przełożeń, skrzynki biegów dzielimy 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 skrzyń biegów należą wszystkie skrzynie z przekładniami zębatymi. Określoną liczbę przełożeń uzyskuje się tu za pomocą pewnej liczby kół zębatych, które w zależności od oporów jazdy mogą być włączane w czasie jazdy samochodem.

Przekładnie bezstopniowe dzielimy na statyczne (np. przekładnie cierne) i dynamiczne (np. hydrokinetyczne).

Stopniowe skrzynie biegów można także podzielić ze względu na sposób sterowania tzn.

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

W skrzyniach sterowanych ręcznie włączenie wymaganej przekładni odbywa się przez odpowiednie ustawienie dźwigni zmiany biegów.

Sterowanie półautomatyczną zmianą biegów jest wtedy, gdy dobór biegu zależy od kierowcy, a samo przełączanie odbywa się samoczynnie - do tego rodzaju sterowania zaliczamy np. sterowanie preselekcyjne, które polega na ustawieniu przełącznika biegów na wybranym przez kierowcę biegu i włączaniu się tego biegu w zależności od położenia pedału przyspieszenia, lub też od impulsu wywartego przez kierowcę w inny sposób.

W skrzyniach sterowanych automatycznie wybór odpowiedniego przełożenia w ramach nastawionego zakresu przełożeń odbywa się samoczynnie, bez udziału kierowcy.

Stopniowe skrzynie biegów można podzielić również według sposobu zazębiania się kół zębatych na:

• z przekładniami zębatymi o osiach stałych (w skrzynkach tych zmiana przełożenia odbywa się bądź przez zastosowanie specjalnych sprzęgieł, bądź przez przesuwanie kół w czasie ruchu samochodu),
• z przekładniami zębatymi o osiach obracających się (są to tzw. przekładnie planetarne, obiegowe), w których zmiana biegów odbywa się poprzez zahamowanie i odhamowanie jednego lub kilku systemów obiegowych).

Wymagania stawiane skrzyniom biegów

W odniesieniu do skrzyń biegów stawiane są następujące wymagania:

• uzyskanie różnych sił napędowych i korzystnych właściwości ekonomicznych przy założonej charakterystyce silnika,
• łatwość sterowania,
• cichobieżność pracy.

Pierwsze spośród postawionych powyżej wymagań jest w zasadzie zapewnione za pomocą prawidłowego doboru przełożeń przekładni i przełożeń kół na różnych biegach. Ale w takim przypadku bardzo komplikuje się konstrukcja skrzyni biegów, znacznie zwiększa się jej ciężar i gabaryty. Obecnie w samochodach osobowych najczęściej stosowane są skrzynie pięciobiegowe.

Sterowanie skrzynią biegów ułatwione jest w największym stopniu poprzez zastosowanie synchronizatorów. We współczesnych konstrukcjach, w skrzyniach biegów samochodów osobowych stosowana jest synchronizacja na wszystkich biegach do przodu.

Cichobieżność skrzyń biegów w znacznym stopniu zależy od rodzaju zastosowanych kół. Najczęściej koła zębate wyższych biegów posiadają zęby walcowe, śrubowe, zaś biegów niższych zęby proste lub łukowe.

Skrzynie biegów są najbardziej celowe do stosowania w przypadkach odległościowego i automatycznego sterowania i dlatego najczęściej stosuje się je w charakterze stopniowych skrzyń biegów z automatycznym lub preselekcyjnym sterowaniem. Łatwość sterowania i cichobieżność zależy również od sposobu przełączania kół. Zastosowanie przesuwnych elementów umożliwia uzyskanie skrzyni biegów prostej i zwartej. Trwałość elementów skrzyni przy tym nie zaspokaja współczesnych wymagań. Zastosowanie sprzęgieł zębatych do przełączania przekładni zwiększa nieco trwałość, ponieważ uderzenia przy przełączaniu przekładni przejmowane są przez znacznie większe powierzchnie zębów i kół.

Artykuł opracowany i udostępniony za zgodą Zespołu Szkół Samochodowych w Bydgoszczy - zobacz