Serwis pod patronatem magazynu
Automatyczne przekładnie w ostatnich latach w znaczącym stopniu przyczyniły się do poprawy efektywności jazdy. Ale jak właściwie działają te skomplikowane urządzenia? I jaka jest ich przyszłość?
Nowoczesny automat nie ma łatwego życia, a mimo to nie skupia na sobie tyle uwagi, co jednostka napędowa. Zaawansowana technologicznie skrzynia biegów jest jednak co najmniej tak samo skomplikowana konstrukcyjnie jak współczesny silnik benzynowy czy wysokoprężny. Możemy uznać, że spisuje się doskonałe, gdy kierowca zupełnie nie zauważa jej pracy.
Skoncentrujmy się na nowoczesnych konstrukcjach skrzyń. W końcu to właśnie te złożone układy składające się z niezliczonych kół zębatych, sprzęgieł i elementów sterujących w ciągu ostatnich dekad umożliwiły znaczące oszczędności paliwa.
Gdy około 10 lat temu Mercedes w montowanej w klasie E skrzyni G-Tronic zwiększył liczbę biegów z pięciu do siedmiu, zużycie paliwa w i tak już oszczędnym modelu E 200 spadło o prawie 1 l/100 km. Poprawiły się też właściwości jezdne i osiągi. Należy podkreślić, że silnik pozostał ten sam.
Większa liczba przełożeń, ogromny wzrost mocy obliczeniowej jednostek sterujących i niezwykle szybkie zmiany biegów sprawiły, że turbodoładowana jednostka po downsizingu pracowała teraz w najlepszym i zapewniającym najwyższą wydajność zakresie obrotów. Przy okazji krótszy pierwszy bieg ułatwiał manewrowanie, a dłuższe siódme przełożenie pozwalało na ekonomiczną jazdę autostradą.
Powszechność stosowania obecnie ośmiu, dziewięciu, a nawet dziesięciu biegów w automatach to również wynik triumfu turbodoładowanego silnika. Bo w przeciwieństwie do równomiernie zwiększającej obroty jednostki wolnossącej napęd z turbo pracuje wydajnie w stosunkowo wąskim zakresie obrotów. Większa liczba biegów umożliwia zatem bardziej oszczędną jazdę w szerszym przedziale prędkości. Niezależnie od konstrukcji przekładni – zarówno takiej z konwerterem momentu obrotowego, czyli klasycznego automatu, jak i dwusprzęgłowej czy skrzyni bezstopniowej.
Po wejściu na rynek „dwusprzęgłówek” straciły wyraźnie na popularności, ale ciągle mają jeszcze mocne strony.
Większe zużycie paliwa, mniej sportowy charakter: to ciągnęło się za klasycznymi automatami przez lata. W ciągu ostatnich dekad modyfikacje konstrukcji sprawiły, że jest dokładnie odwrotnie. Dziś automaty pod wieloma względami przewyższają skrzynie manualne. Wynika to przede wszystkim ze znacznie większej liczy przełożeń, które w klasycznych automatach są realizowane przez kombinację wielu przekładni planetarnych.
W 8-stopniowym automacie ZF, stosowanym np. w BMW lub 9-biegowej skrzyni 9G-Tronic w Mercedesie cztery takie przekładnie planetarne połączono szeregowo. Są one w różny sposób sterowane za pomocą 5 lub 6 elementów przełączających, dzięki czemu uzyskiwane są różne przełożenia między wałami wejściowym i wyjściowym.
Tradycyjne sprzęgło zastąpiono tu konwerterem. Najprościej mówiąc, jest to hydrauliczne sprzęgło, w którym obroty silnika są przenoszone na przekładnię za pomocą obracającego się oleju. Zaletą konwerterów jest to, że potrafią bardzo komfortowo i nie ulegając przy tym zużyciu czy przegrzaniu, przetwarzać ogromny moment obrotowy, do 1000 Nm, a nawet go zwiększać.
Obecnie przemiennik momentu obrotowego jest dodatkowo wspomagany przez sprzęgła: rozruchowe i blokujące. Ponadto między silnikiem a skrzynią biegów coraz częściej montuje się tzw. moduły hybrydowe. Chodzi tu o pierścieniowe silniki elektryczne, które napędzają samochód i odzyskują energię.
Przemiennik momentu obrotowego jest napełniony olejem. Obracające się w nim łopatki wirnika przenoszą moc silnika na wał napędowy skrzyni biegów, na którym znajduje się wiele przekładni planetarnych załączanych przez elementy przełączające . W ten sposób realizowane są różne przełożenia między silnikiem a osią napędową. W nowoczesnych skrzyniach dla oszczędności paliwa konwerter może być blokowany sprzęgłami ciernymi w stałych stanach pracy.
Lista samochodów wyposażanych w przekładnie hydrokinetyczne jest bardzo długa. Najnowszym udoskonaleniem jest zastosowanie modułu elektrycznego w hybrydach. Oto kilka przykładów:
Najpopularniejszy rodzaj skrzyni automatycznej, łączy zalety przekładni manualnych i klasycznych automatów. Coraz częściej wyposażane są w moduł elektryczny.
Moduł hybrydowy – podobny w działaniu do elementu stosowanego w klasycznych automatach – można także umieścić przed dwusprzęgłową przekładnią (DSG). Skrzynia tego typu w inny sposób realizuje jednak zmianę przełożeń i przeniesienie napędu: moment obrotowy jest przenoszony na skrzynię nie przez konwerter, lecz przez dwa naprzemiennie załączane sprzęgła cierne. Zaleta tego rozwiązania: gdy samochód rusza na pierwszym biegu, drugi jest już załączony, a zmiana przełożenia następuje błyskawicznie poprzez przełączenie sprzęgieł. Dzięki temu podczas zmiany biegu nie ma przerw w dostarczaniu momentu napędowego, co poprawia komfort, wydajność i osiągi. Nic dziwnego, że to rozwiązanie jest popularne także w sportach motorowych.
Ze względu na wytwarzane ciepło proste suche sprzęgła nie mogą realizować większych momentów obrotowych. Zamiast nich stosowane są pracujące w oleju i w ten sposób chłodzone sprzęgła wielopłytkowe. Zmniejszają one efektywność i wydajność, lecz znoszą za to limity momentu obrotowego.
Dwusprzęgłowa przekładnia to tak naprawdę dwie skrzynie zamknięte w jednej obudowie. Jedna wraz ze sprzęgłem i trzema lub czterema kołami zębatymi znajduje się przy wale wewnętrznym, druga – na równoległym wale drążonym (zewnętrznym) wraz z kolejnymi trzema lub czterema kołami zębatymi i drugim sprzęgłem.
Podobnie jak w manualnej przekładni, na równoległym wale zewnętrznym obracają się i są stale załączane pary kół zębatych wszystkich biegów. Elektronicznie sterowane elementy przełączające w razie potrzeby tworzą tarcie między kołami zębatymi a wałem i w ten sposób załączają żądany bieg. W siedmiobiegowej skrzyni DSG (z ang. Direct Shift Gearbox) Volkswagena jedno sprzęgło załącza biegi pierwszy, trzeci, piąty i siódmy, a za pomocą drugiego obsługiwane są przełożenia: drugie, czwarte, szóste i wsteczne.
Przez blisko dwadzieścia lat rynkowej obecności lista auta wyposażonych w skrzynie dwusprzęgłowe ciągnie się niemal w nieskończoność. Kilka przykładów:
Gdy liczy się płynność zmiany przełożenia, skrzynie bezstopniowe (CVT – od ang. Contiuously Variable Transmission) ciągle mają się czym pochwalić, jednak jest to rozwiązanie niosące problemy w codziennej eksploatacji, przede wszystkim, gdy chodzi o trwałość.
Bezstopniowe przekładnie są raczej rzadko spotykane w samochodach z Europy, ale korzysta z nich wiele pojazdów z Japonii. Skrzynie CVT teoretycznie dysponują nieskończoną liczbą przełożeń. Współpracujące z nimi silniki spalinowe mogą stale pracować z jedną prędkością obrotową – co pozwala np. uzyskać najwyższe osiągi, najlepszą efektywność i największy moment obrotowy – przy różnej prędkości poruszania się. Trzeba się jednak przyzwyczaić do jednostajnego odgłosu silnika. Trochę jak w skuterze. Aby ograniczyć to zjawisko, producenci stosują „wirtualne” biegi, symulujące pracę przekładni o ustalonych przełożeniach. Skrzynia po prostu wybiera kolejny stopień, obroty przy przyspieszaniu się zmieniają.
Zasada działania skrzyni CVT jest prosta: wyobraźmy sobie napęd rowerowy z elastycznymi kołami zębatymi – zarówno przednie, jak i tylne mogą być większe lub mniejsze. Łańcuch lub stalowy pasek przenosi moc z wału wewnętrznego na zewnętrzny. Porusza się on między dwoma kołami stożkowymi, których połówki się do siebie zbliżają lub oddalają i w ten sposób zmienia się efektywna średnica każdego koła stożkowego. W efekcie zmienia się także przełożenie między osiami – i to płynnie, parametry skrzyni mogą być dopasowywane bezskokowo.
Tylko w hybrydowych Toyotach (Lexusach) stosowana jest przekładnia bezstopniowa planetarna, która działa na zupełnie innej zasadzie i jest bezawaryjna.
Duża jest także możliwa do uzyskania rozpiętość przełożeń. W codziennym użytkowaniu tego typu przekładnie nie sprawdzają się zbyt dobrze, zarówno jeśli idzie o charakterystykę pracy, jak i niezawodność w dłuższym okresie.
Najczęściej przekładnie bezstopniowe możemy znaleźć w pojazdach dalekowschodnich, jednak także europejscy producenci włączali je do swojej oferty.
Kilka rzeczy wskazuje na to, że przekładnie, w tym automatyczne, niezależnie od ich konstrukcji osiągnęły już swój maksymalny poziom rozwoju. Nawet nie chodzi o to, że nie ma czego w nich udoskonalać. Po prostu dokładanie dodatkowych biegów, walka o szybszą zmianę przełożeń i sprawianie, by silnik spalinowy pracował w jak najlepszym zakresie wydajności, przestaje mieć sens. Powód jest oczywisty: nadchodzi era elektromobilności. A to w tym przypadku zmienia praktycznie wszystko.
Na początek trzeba wspomnieć o rozwiązaniu pomostowym, jakim są auta hybrydowe. Dodatkowy silnik elektryczny wspomagający pracę jednostki napędowej rzeczywiście wiele zmienia. Jest w stanie przejąć na siebie napędzanie auta w najmniej wydajnych energetycznie momentach: przy jeździe na zimno, ruszaniu czy gwałtownym rozpędzaniu. Skrzynia nie musi mieć więc nie wiadomo ilu biegów – przez niekorzystny zakres auto „przeprowadzi” silnik elektryczny. Ten ostatni przybiera postać płaskiego dysku montowanego między silnikiem a skrzynią, tam gdzie zwykle jest konwerter lub sprzęgło. To stosunkowo prosta modyfikacja dostępnych przekładni, takie „elektroskrzynie” biegów stosowane są powszechnie we współczesnych autach hybrydowych.
Docelowo przy napędzie elektrycznym skrzynia biegów właściwe w ogóle nie jest potrzebna. Taki silnik charakteryzuje się szerokim zakresem regulacji prędkości obrotowej i oddaje maksymalny moment obrotowy już na starcie – nie potrzebujemy więc ani sprzęgła do ruszania, ani przełożeń, poprzez które możemy dostosować potrzebną siłę napędową do warunków jazdy. Wystarczy jednostopniowa przekładnia redukcyjna... i już. Żeby jechać do tyłu, silnik może kręcić się w drugą stronę.
Oczywiście zawsze można coś skomplikować... i to się dzieje. Porsche Taycan jest pierwszym autem elektrycznym z dwustopniową przekładnią przy silniku tylnej osi (na zdjęciu powyżej). W tym rozwiązaniu chodziło o zachowanie maksymalnego przyspieszenia na starcie przy odpowiednio wysokiej wydajności w czasie jazdy z dużymi prędkościami.
Po latach eksploatacji każda skrzynia automatyczna będzie wymagać dodatkowych nakładów na serwisowanie w porównaniu z przekładniami manualnymi. Komplikacja budowy tylko takie wydatki będzie podnosić.
Skrzynia automatyczna wymaga zwykle wymiany oleju i filtra co ok. 60 tys. km (koszt ok. 500-1000 zł). Dotyczy to również przekładni dwusprzęgłowych. W przypadku tych ostatnich wymiana sprzęgieł (po ok. 200 tys. km) to koszt ok. 5 tys. zł. Poważniejsza naprawa klasycznej skrzyni automatycznej to zwykle koszt od 5 tys. zł w górę, przeciętnie ok. 8-10 tys. zł.
Generalnie można przyjąć, że typowe skrzynie automatyczne są w stanie przejechać bez awarii 300 tys. km, a te najlepsze ponad 500 tys. km.
W klasycznym automacie rolę sprzęgła pełni konwerter. W niektórych skrzyniach ma niemal dożywotnią trwałość, w innych wymaga naprawy. Koszt od 2000 zł.
Wymiana oleju jest podstawową czynnością serwisową, warunkującą poprawną pracę skrzyni. Koszt 500-1000 zł.
Niestety diagnostyka i naprawa automatycznych skrzyń biegów wykracza poza możliwości większości warsztatów. W zasadzie tylko wymiana oleju i filtra jest czynnością względnie prostą. Z usterkami trzeba się zwracać do warsztatów wyspecjalizowanych w naprawach automatycznych skrzyń biegów.
Diagnostyka wymaga specjalistycznych urządzeń, ale przede wszystkim dużego doświadczenia. Większość skrzyń automatycznych trzeba diagnozować podczas jazdy próbnej, sprawdzając ciśnienia sterujące itp.
Typową awarią wielu automatycznych skrzyń (w tym np. DSG) jest usterka sterownika. Wymiana – ok. 5000 zł.
Choć klasyczne automaty nie mają koła dwumasowego, to występuje ono przy skrzyniach dwusprzęgłowych.
