PRZEKŁADNIA - SKRZYNIA BIEGÓW
Ile biegów i jakie?
Teoretyczne zagadnienia związane z przekładniami, rozpoczęliśmy w poprzednim odcinku
ATM od zagadnień stosunkowo prostych i niekiedy dość oczywistych dla wielu z Czytelników.
W praktyce konstrukcyjnej nie są one jednak tak proste jak mogłoby się wydawać po lekturze
poprzedniej części Akademii.
Uzasadnienie, że tak jest w rzeczywistości, pojawiło się się przy okazji omawiania „Trudnych
pojęć”, kiedy zajęliśmy się zagadnieniami istotnie trudnymi.
Czas teraz na kontynuowanie naszych rozważań. Szczególnie interesująca wydaje się być
odpo- wiedź na pytanie, które zadają sobie nie tylko konstruktorzy ale i użytkownicy
pojazdów: ile biegów i o jakich przełożeniach zapewni nam dobrą dynamikę pojazdu ? ale
również: ile biegów i o jakich przełożeniach zapewni nam możliwie najniższe zużycie paliwa ?
Nie po raz pierwszy dochodzą do głosu dwie skrajne kategorie wymagań: oczekiwanie
dobrych własności trakcyjnych przy jednoczesnym zachowaniu możliwie najmniejszego
zużycia paliwa.
Pytanie o liczbę biegów i wartości kolejnych przełożeń jest szczególnie istotne dla
samochodów ciężarowych, decydować może bowiem o zdolności poruszania się pojazdu w
trudnych warun- kach drogowych i z dużymi ładunkami.
Znaczące jest również to, że pojazd ciężarowy może poruszać się z ładunkiem i bez ładunku,
a dla każdej z wymienionych sytuacji „zapotrzebowanie na siłę napędową” może różnić się
kil- kukrotnie. Dobranie biegów na zasadzie „wartości średniej” sprawi, że pojazd pusty
będzie dysponował nadmiarem siły napędowej, a pojazd z ładunkiem będzie rozwijał siłę zbyt
małą.
Nie sposób więc znaleźć jednej uniwersalnej drogi postępowania, jakkolwiek i tutaj starania
konstruktorów pozwoliły na wypracowanie stosunkowo najlepszych rozwiązań, które, jak już
wielokrotnie pisaliśmy, stanowią rozwiązanie kompromisowe pomiędzy stopniem komplikacji
konstrukcji, ceną i potrzebami użytkownika.
Dobór przełożeń - konieczny kompromis
Widzimy więc, że dobieranie przełożeń w skrzyni biegów musi stanowić rozwiązanie
pośrednie pomiędzy dwiema, właściwie wykluczającymi się skrajnościami: duży efekt za
możliwie naj- mniejszą cenę.
Jak już wspominaliśmy, rozwiązaniem idealnym jest dostosowanie przełożeń skrzyni biegów
do charakterystyki silnika, z którym będzie ona współpracować.
Pożądane jest również „dopasowanie” przełożeń do zakładanego charakteru pracy pojazdu,
a przede wszystkim charakterystyki jazdy: jazda „ekonomiczna”, jazda „sportowa”, jazda
miejska, jazda z dużymi ładunkami, jazda w trudnych warunkach terenowych, itp.
Możliwości takiego dopasowania praktycznie nie stosuje się w przypadku konstruowania
prze- ciętnego i tzw. „seryjnego” samochodu osobowego. Dopasowanie takie jest jednak
konieczne dla samochodów wyczynowych, dla których przełożenia dobiera się zależnie od
charakterystyki toru: liczby zakrętów i stopnia ich trudności, długości odcinków prostych, kąta
nachylenia wzniesień i innych specyficznych czynników.
Dobieranie takie jest również konieczne dla samochodów ciężarowych, kiedy zależnie od
zadania, jakie będzie wykonywał samochód, odpowiednio kształtuje się całkowite wartości
przełożeń układu napędowego.
Założenie, o możliwie najlepszym dopasowaniu wartości przełożeń skrzyni biegów dla samo-
chodu ciężarowego może sprawić, że konieczne będzie wyposażenie go w przekładnię o
liczbie biegów znacznie ( np. dwukrotnie ) większej od liczby biegów zastosowanej w
autobusie komu- nikacji miedzymiastowej.
Dlaczego tak się dzieje - postaramy się odpowiedzieć w prezentowanym Państwu materiale.
Stosunkowo wnikliwe przedstawienie zagadnień związanych ze skrzyniami biegów wynika z
potrzeby wyjaśnienia wielu problemów, jakie związane są np. z pojęciem tzw. nadbiegu lub
ze skrzyniami biegów, w których liczba biegów lub/i ich zestopniowanie odbiegają od tzw.
roz- wiązań klasycznych. Przykładem, może być powszechne traktowanie 4 biegowych
skrzyń bie- gów wyposażonych w nadbieg, jako 5-cio biegowych.
Powstaje przy tym dwojakiego rodzaju nieporozumienie:
−
nieprawidłowe nazewnictwo ( pomimo tego, że powszechnie przyjęte ),
−
istotna różnica teoretyczna i konstrukcyjna w budowie przekładni 4 - 5 biegowej i 4 - 5
biego- wej z nadbiegiem.
W konstrukcjach współczesnych nie są już tak rygorystycznie przestrzegane ogólne
założenia wynikające z teorii ruchu samochodu. Prawie każdy producent na podstawie
wieloletnich prób oraz doświadczenia płynącego z wcześniejszych konstrukcji opracował
zasady pozwalające najbar- dziej efektywnie projektować i wytwarzać pojazdy. Stąd też
wynikają niekiedy różnice w wartościach parametrów i charakterystykach podzespołów
rzeczywistych i tych wyznaczanych przy wykorzystaniu metod teoretycznych.
Pewne ogólne zasady pozostają jednak nie zmienione i to własnie nimi posługiwać się
będziemy za chwilę.
Współpraca: Silnik – Przekładnia
Przekładnia - skrzynia biegów, sprawia, że „niedoskonały i słaby” silnik może dostarczyć
układowi napędowemu dostatecznie dużą siłę napędową, aby pojazd mógł się poruszać z
założoną prędkością ( w określonych warunkach drogowych ) i przy możliwie najmniejszym
zużyciu paliwa.
Czytelnicy wybaczą odwołanie się w tym miejscu do banalnego przykładu: rower wyposażony
w wielostopniową przekładnię nazywaną potocznie „przerzutką”.
Nie do rzadkości należą rowery wyposażone w 20 i więcej „biegów” tak, aby wysiłek
człowieka był jak najmniejszy przy pokonywaniu oporów ruchu. Podobnie jest z przekładniami
w samochodzie - tutaj też zależy nam na „dopasowaniu” biegu do chwilowego obciążenia
wynikającego ze zmieniających się warunków jazdy. Ponieważ zakres zmian jest w
przypadku samochodu znacznie większy od zakresu zmian wynikających z ruchu roweru
„dopasowanie” takie jest również znacznie trudniejsze.
Jak wspominaliśmy, silnik powinien właściwie współpracować z przekładnią - skrzynią
biegów. To zadanie słyszy się bardzo często w dyskusjach i literaturze fachowej. Bardzo
często przy tej okazji padają również stwierdzenia, że ta czy inna skrzynia biegów nie jest
dobrze dobrana do silnika, że gdyby zmienić przełożenia, silnik mógłby wykazać się pełnią
swoich możliwości.
Istota problemu tkwi w charakterystyce silnika - tzw. charakterystyce mocy cześciowych, a
wła- ściwie w przebiegu dwóch krzywych na tej charakterystyce: krzywej momentu
obrotowego silnika i krzywej jednostkowego zużycia paliwa g
e
Przebieg tych dwóch krzywych warunkuje bowiem własności trakcyjne pojazdu oraz ekono-
miczność jego ruchu. Właściwie dobrana skrzynia biegów ( o odpowiednich przełożeniach )
po- zwala kierowcy na takie sterowanie silnikiem, aby pracował on w optymalnym zakresie
momentu obrotowego i zużycia paliwa.
Pomijając szczegóły teoretyczne możemy przyjąć, że dla danej wartości obciążenia silnika
( wy- rażonej np. położeniem pedału gazu ), będzie on pracował statecznie w granicach
prędkości obrotowej większej od prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego.
Próba gwałtownego wciśnięcia pedału gazu ( obciążenia silnika ) w zakresie prędkości obro-
towej mniejszej od prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego spowoduje, że
silnik ulegnie przeciążeniu i może „nie poradzić sobie” ze zwiększonym obciążeniem.
To właśnie przeciążanie silnika sprawia, że słyszymy „dzwoniące zawory” - silnik stara się
wtedy podołać zwiększonemu obciążeniu i czasem udaje mu się tego dokonać - „dzwoniące
zawory milkną”. Niekiedy jednak ten charakterystyczny dźwięk trwa i gdyby nie reakcja
kierowcy - zmiana biegu - mogłoby dojść do zdławienia silnika.
Stąd właśnie podstwowe założenie o zakresie wykorzystywanych prędkości obrorowych:
n
Tsmax
- n
Psmax
.
Oczywiście, im bardziej elastyczny silnik, tym „lepiej poradzi sobie” z przeciążeniem.
Możemy również stwierdzić, że minimalne wartości jednostkowego zużycia paliwa g
e
znajdują
się „w okolicach” prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego ( patrz rys. 1).
Przypomnijmy, że duży moment obrotowy silnika to duża siła napędowa dostarczana do
układu napędowego, duża siła, to duża wartość przyspieszenia, jakie możemy nadać
pojazdowi. Rozważania te prowadzą więc do wniosku: przy określonych warunkach
obciążenia ( wynika- jących z oporów ruchu ), kierowca w sposób naturalny będzie dążył do
utrzymywania prędkości obrotowej silnika bliskiej ( a raczej nieco większej ) od prędkości
obrotowej maksymalnego momentu obrotowego silnika.
Utrzymywanie takich warunków pracy silnika zapewni dużą siłę napędową, a tym samym
dobre przyspieszenie pojazdu ( o ile będzie potrzebne ) i możliwie niskie zużycie paliwa.
Wydawać się więc może, że sytuacja jest prawie idealna: duży efekt - małym kosztem.
W praktyce jednak sytuacja nie jest tak idealna - przyczyna jest bardzo prosta: zmienność
warun- ków drogowych, w jakich porusza się pojazd i prawie nieograniczona liczba
kombinacji para- metrów opisujących te warunki, sprawia, że do osiągnięcia tak optymalnych
warunków pracy sil- nika, jak przedstawiliśmy to wyżej, konieczne byłoby wprowadzenie
przekładni o płynnie zmie- niającej się wartości przełożenia. Przekonamy później się, głównie
ze względów technolo- gicznych nie było i nie jest to takie proste.
Silnik - przekładnia stopniowa
Z konieczności jesteśmy więc „skazani” na przekładnie, w których występują przełożenia o
stałych wartościach, o mniejszej lub większej liczbie biegów ( lub na przekładnie o przełoże-
niach zmieniających się płynnie w pewnych ustalonych zakresach, o których pisać będziemy
później ).
Nie trzeba być znawcą, aby stwierdzić, że „najlepszy” silnik to ten, który posiada „płaską”
charakterystykę momentu obrotowego T
s
, a tym samym największy zakres „użytecznej”
prędkości obrotowej n
u
. „Najgorszy” pod tym względem będzie silnik o charakterystyce
środkowej: po pierwsze o małym zakresie „użytecznej” prędkości obrotowej, po drugie o
dużej wartości prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego. W określonych
warunkach ruchu samochodu - przy obciążeniach bliskich maksymalnym - tak ukształtowana
charakterystyka silnika może „wymuszać” na kierowcy utrzymywanie wysokiej prędkości
obrotowej silnika i częstą zmianę biegów, aby nie dochodziło spadku prędkości obrotowej
poniżej prędkości n
Tsmax
.
„Wymuszanie” będzie więc wynikało z warunków, w jakich porusza się pojazd ( np. jazda
miejska wymagająca „szybkiego” przyspieszania ) oraz zamiarów kierowcy - jeśli zdecyduje
się on na jazdę dynamiczną, konieczne będzie utrzymywanie wysokiej prędkości obrotowej
silnika.
Oczywiste jest, że jazda przy niepełnym obciążeniu silnika i z prędkościami obrotowymi
mniej- szymi od n
Tsmax
będzie możliwa, jednak utrudnione może być np. gwałtowne
przyspieszanie pojazdu. Nagłe zapotrzebowanie na duże przyspieszenie pojazdu ( próba
wyprzedzania ) może „zmusić” kierowcę do przełączenia biegu na niższy; dla pojazdu z
„elastyczną” charakterystyką silnika takie przełączenie może nie być konieczne i silnik będzie
w stanie podołać zapotrze- bowaniu na zwiększoną moc i moment obrotowy.
Budowa
Skrzynia biegów - dwa podstawowe rodzaje
Wspominając o dwóch podstawowych rodzajach klasycznej skrzyni biegów należy odnieść
się do naszych wcześniejszych rozważań o układzie napędowym: klasycznym i
zblokowanym.
Zależnie od tego, z jakim rodzajem układu będziemy mieli do czynienia, konieczne będzie
zastosowanie odpowiedniej skrzyni biegów, tzw. dwu- lub trójwałkowej ( przekładnie
odmienne od typowych „klasycznych” konstrukcji - chwilowo pomijamy ).
Które lepsze?
Z pewnością powstaną wątpliwości: które rozwiązanie jest lepsze?
Jak zawsze w technice i jedno i drugie posiada swoje wady i zalety. Pominąć tutaj należy fakt
powszechnego stosowania we współczesnych pojazdach osobowych i dostawczych napędu
zblo- kowanego, który ogranicza stosowanie przekładni 2-wałkowej. Pojazdy ciężarowe i
autobusy to nadal klasyczne układy napędowe i 3-wałkowe przekładnie.
Pomimo szeregu niewątpliwych zalet, do których należy przede wszystkim wyeliminowanie
jed- nego obracającego się elementu ( wałka pośredniego ), tego typu skrzynia posiada
pewną wadę, a raczej niedogodność konstrukcyjną, polegającą na konieczności
zrealizowania danego biegu za pomocą jednej pary kół zębatych.
Przypomnijmy, że w przekładni trójwałkowej każdy bieg ( oprócz bezpośredniego )
realizowany był przez dwie pary współpracujących kół zębatych. Dawało to konstruktorom
możliwość zmniejszenia wymiarów kół zębatych lub, przy zachowaniu tych samych wymiarów
kół, na zwiększenie wartości przełożenia danego biegu. W wielu przypadkach postępowanie
takie sta- wało się koniecznością.
Jak Państwo pamiętacie, przełożenie o przykładowej wartości i = 3,00 w 2-wałkowej skrzyni
biegów wymaga zastosowania kół zębatych, z których jedno ma średnicę 3 razy większą od
drugiego. W przekładni 3-wałkowej realizacja przełożenia o takierj wartości może następować
przy dwóch parach kół zębatych o przełożeniach odpowiednio i = 1,579 i i = 1,900. Koła
zębate będą więc mniejsze, a tym samym mniejsza będzie przestrzeń potrzebna do ich
zabudowy w układzie przeniesienia napędu.
Inne rodzaje skrzyń biegów
Jakie mogą być te „bez - stopniowe” przekładnie ?
W historii konstrukcji samochodów było ich kilka, w większości nie przyjęły się one
powszechnie, jakkolwiek pojawiały się seryjnie produkowane samochody wyposażane
właśnie w ten rodzaj przekładni.
Do bardziej znaczących, zaliczyć można: cierną przekładnię pasową i cierną przekładnię
stożkową
Pojawiały się też przekładnie będące próbą głębokiej modernizacji istniejących rozwiązań
klasycznych, jednakże ówczesna technologia nie pozwoliła na ich szerokie zastosowanie.
stnieje jednak pewien rodzaj przekładni bezstopniowych, który współracując ze specjalną
przekładnią stopniową, stworzył jeden z najbardziej doskonałych zespołów pojazdu:
hydromechaniczną skrzynię biegów nazywaną zwyczajowo: automatyczną skrzynią biegów.
Jest ona bowiem połączeniem dwóch rodzajów przekładni: hydrokinetycznej i mechanicznej-
planetarnej ( obiegowej ). Sterowanie takim zespołem odbywa się za pomocą układu
hydromechanicznego lub elektromagnetycznego ( dość rzadko pneumatycznego ), który
współcześnie coraz cześciej wspomagany jest przez dodatkowe moduły elektroniczne.
Istotą cechą odróżniającą działanie przekładni „automatycznej” od „zwykłych” stopniowych
skrzyń biegów jest to, że w pewnym, konstrukcyjnie ustalonym zakresie, przełożenie zmienia
się w sposób ciągły ( to właśnie zasługa przekładni „hydro” ), po przekroczeniu zakresu
zmian, układ sterujący dokonuje samoczynnego przełączenia biegów w przekładni
mechanicznej. To właśnie z tego powodu nazywane są one „automatycznymi” skrzyniami
biegów
Specyfika zastosowanej przekładni mechanicznej i sposób jej sterowania umożliwia ponadto
ciągłe przekazywanie mocy - ciągłe - również podczas przełączania biegów, co w wielu
przypadkach pozwala na pokonanie bardzo dużych oporów ruchu pojazdu.
Konsekwencją zastosowania przekładni cieczowej jest również utrudnione przeciążenie
układu napędowego; zmniejsza się także poziom drgań przenoszonych na część bierną
układu na- pędowego.
Jak wspominaliśmy, przekładnie tego typu nazywane są automatyczną skrzynią biegów;
nazwa ta sugeruje, że proces przełączania biegów może odbywać się bez udziału kierowcy -
całkowicie automatycznie. W rzeczywistości jednak kierowca steruje przełączaniem biegów,
nie dokonuje jednak tego w sposób bezpośredni - jego działanie ogranicza się do wyboru
„programu” sterującego skrzynią biegów.
To właśnie specyfika własności trakcyjnych pojazdu wyposażonego w przekładnię
hydromechaniczną sprawia, że oprócz pojazdów powszechnego użytku, znajduje ona
zastosowanie w pojazdach ciężkich: dużych zestawach drogowych z ciągnikami siodłowymi,
autobusach miejskich maszynach roboczych i innych.
Niestety szereg zalet, jakimi charakteryzują się „automatyczne” skrzynie biegów, okupiony
zostaje również znaczącymi wadami, do których należą wyższe, w stosunku do przekładni
mechanicznych, zużycie paliwa, znacznie bardziej skomplikowana budowa, naprawa i
obsługa.