Dlaczego skrzynie biegów mają coraz więcej przełożeń?
Niedoskonałość silników spalinowych
Nowoczesne skrzynie biegów a coraz lepsze silniki spalinowe
Różne silniki, różne rozwiązania
Współczesna skrzynia biegów
Siedem, osiem, a w niektórych nawet dziesięć! Tyle przełożeń jest w nowoczesnych skrzyniach biegów. Po co tak komplikować konstrukcję? Po co w miejskim aucie aż siedem biegów do jazdy do przodu? Powody są bardziej skomplikowane niż walka producentów o to, kto pokaże coś nowocześniejszego.
Niedoskonałość silników spalinowych
Pierwszym powodem, dla którego zaczęto w ogóle stosować skrzynie biegów, była niedoskonałość silników spalinowych. Po prostu wczesne jednostki napędowe miały niewielki zakres użytecznych obrotów. Dlatego w początkach motoryzacji, kiedy kierowca miał do dyspozycji zakres 1000-1500 obr./min między biegiem jałowym a wartością maksymalną, samochód bez skrzyni biegów miałby marne osiągi. Za to po zastosowaniu dodatkowego przełożenia, można było wygodnie ruszać, a następnie utrzymywać stosunkowo wysoką prędkość po wrzuceniu drugiego biegu. Tak, pierwsze samochody dysponowały raptem dwubiegowymi skrzyniami. Takie rozwiązanie, w wersji automatycznej, dotrwało do lat 60. XX wieku. Z czasem jednak biegów zaczęło przybywać.
Nowoczesne skrzynie biegów a coraz lepsze silniki spalinowe
Zbiegło się to z powstawaniem coraz lepszych silników – takich, w których zakres użytecznych obrotów stawał się coraz szerszy. Dziś przeciętny silnik benzynowy dysponuje użytecznym zakresem około 4500-5000 obrotów na minutę. Teoretycznie gorzej wypadają pod tym względem diesle, które nie rozkręcają się tak wysoko, ale właśnie po to jest skrzynia biegów, żeby zamaskować tę różnicę.
Jak określić zakres użyteczny? Można użyć do tego dość skomplikowanej matematyki, ale łatwiej jest obejrzeć wykresy mocy i momentu obrotowego danego silnika. Kiedy nałożyć je na siebie w taki sposób, że punkt maksimum momentu obrotowego będzie na tej samej wysokości, co punkt maksimum mocy, zauważymy, że krzywa momentu i krzywa mocy przecinają się w dwóch miejscach. Pierwszy raz przy stosunkowo niskich obrotach i drugi zaraz za obrotami mocy maksymalnej. Zakres między przecięciami to właśnie zakres użyteczny.
Różne silniki, różne rozwiązania
Trzeba tu zwrócić uwagę, że dla różnych silników może to wyglądać bardzo różnie. Nowoczesny diesel dysponuje olbrzymim momentem obrotowym już zaraz powyżej obrotów biegu jałowego: w BMW 530d jest to 650 Nm przy 1500 obr./min. Z kolei wysokoobrotowe, wolnossące jednostki osiągają maksymalny moment obrotowy daleko wyżej – na przykład Honda Civic Type R z czasów przed turbodoładowaniem osiągała raptem 195 Nm dopiero przy 5600 obr./min. I tutaj wracamy do powodów stosowania coraz większej liczby biegów.
Skoro znamy wartość początkową i końcową użytecznego zakresu obrotów, znamy też prędkości (minimalną i maksymalną), z jakimi poruszałby się nasz, na razie jednobiegowy, samochód przy tych obrotach. Teraz dołóżmy kolejne biegi, wyliczone w taki sposób, żeby minimalna prędkość na następnym biegu była taka, jak maksymalna na poprzednim. Powtórzmy tę operację kilka razy i mamy gotowy przepis na skrzynię biegów. Konstrukcja stworzona według tych założeń, zapewni nam najlepsze przyspieszenie na każdym biegu.
Sprawa jednak nie jest tak prosta. Dochodzą dodatkowe założenia, które powodują, że skrzynie biegów nie są konstruowane w taki sposób. Przede wszystkim – ułatwienie ruszania. Przełożenie pierwszego biegu nie jest wyliczane do maksymalnego przyspieszenia. Jedynka ma zwykle przełożenie większe (w terminologii skrzyń biegów: krótsze) od optymalnego, co pozwala na łatwiejsze ruszanie. Z drugiej strony, wysokie biegi – jak piątka czy szóstka – mają przełożenie mniejsze od optymalnego (czyli dłuższe). Wynika to z prostego faktu, że jadąc w trasie, nie przyspieszamy do prędkości maksymalnej, aby ją utrzymywać. Jedziemy znacznie poniżej tej prędkości, więc nie ma sensu zużywać paliwa na wysokich obrotach, lepiej wrzucić „szóstkę”, na której silnik pracuje spokojnie na samym dole zakresu optymalnego, a czasem i poniżej.
Współczesna skrzynia biegów
W ten sposób skonstruowano współczesną skrzynię biegów. Ale skoro coraz nowocześniejsze silniki mają coraz szerszy zakres użytecznych obrotów, to po co dokładać kolejne biegi? Otóż kolejnym, po zakresie użytecznym, powodem jest dbałość o utrzymywanie norm emisji spalin. Ilość szkodliwych substancji zależy od obciążenia i obrotów silnika, a dla każdego silnika występuje taka kombinacja obciążenia i obrotów, przy której emisje gazów są najniższe.
Oczywiste więc staje się, że najbardziej opłaca się mieć wiele biegów i w trakcie przyspieszania poruszać się w okolicach tego optymalnego zakresu. Z kolei, po osiągnięciu prędkości podróżnej, siódmy czy ósmy bieg pozwala zredukować obroty nieco powyżej poziomu biegu jałowego. Wtedy komputer silnika podejmie inne działania, żeby zużywać jak najmniej paliwa i emitować jak najmniej szkodliwych substancji.
Nie ulega jednak wątpliwości, że zwiększanie liczby biegów w skrzyni, kiedyś przestanie mieć sens – i to głównie dlatego, że takie skrzynie będą zbyt skomplikowane w budowie, a przez to zbyt drogie jak na potencjalne zyski z ich stosowania. W tym miejscu śmieją się pewnie kierowcy ciężarówek, dla których 18 biegów to codzienność, a miejsca pod maską w ciężarówce jest jeszcze sporo. Ale póki co, Japończycy i Amerykanie instalują w swoich samochodach skrzynie 10-stopniowe i twierdzą, że to nie jest ich ostatnie słowo.
Czytaj także:
Wszystko o wymianie oleju silnikowego
Jak serwisować auto z silnikiem benzynowym po sezonie zimowym?
