Rodzaje skrzyń biegów i zasady ich działania

Dla kierowców
skrzynie biegów

Skrzynia biegów to element samochodu, nad którym wielu z nas się zastanawia przed podjęciem decyzji o zakupie samochodu. Powodem takiego stanu rzeczy jest fakt, że to kluczowy element budowy samochodu, który ma ogromny udział na wykorzystanie mocy silnika, a także zapewnia dla silnika prawidłową oraz bezpieczną eksploatację.

W branży motoryzacyjnej istnieje wiele rodzajów skrzyń biegów, które mogą się różnić zastosowanymi w nich rozwiązaniami konstrukcyjnymi. W tym artykule skupimy się na tym, aby przedstawić rodzaje skrzyń biegów oraz zasady ich działania.

Czym jest skrzynia biegów oraz za co właściwie odpowiada?

Skrzynia biegów jest rodzajem mechanizmu, który jest w stanie zmienić przełożenie układu napędowego, aby móc dostosować parametry silnika do jego potrzeb, które mogą się zmieniać. Można również wyjaśnić to w ten sposób, że skrzynia biegów daje możliwość uzyskiwania odpowiedniej prędkości obrotowej w zależności od tego, jakie jest w danym momencie obciążenie, a także prędkość jazdy. Sprzęgło jest tym elementem, który łączy skrzynię biegów z silnikiem. Natomiast biegi jesteśmy w stanie zmieniać, dzięki drążkowi, który występuje nawet w automatycznych skrzyniach biegów.

Skrzynia biegów jest elementem, który jest niezbędny w samochodzie. Gdyby go nie było, nie byłoby łatwo jechać pod górkę, a poruszanie się autem do tyłu byłoby zadaniem praktycznie niewykonalnym.

Podział typów skrzyń biegów

W motoryzacji najczęściej stosuje się następujące skrzynie biegów:

– skrzynie manualne,

– skrzynie automatyczne stopniowe,

– skrzynie półautomatyczne stopniowe,

– skrzynie bezstopniowe,

Skrzynie biegów można również podzielić ze względu na sposób sterowania oraz przekładnię.

Podział ze względu na zastosowaną przekładnię

Podstawowe zadanie skrzyni biegów, czyli zmiana przełożenia układu napędowego może być realizowane w bezstopniowy lub stopniowy sposób. W bezstopniowych skrzyniach działa to w sposób ciągły. Z kolei w stopniowych jest to oparte na włączaniu różnych przekładni o stałym położeniu.

W przypadku stopniowych skrzyń biegów wyróżnia się również skrzynie o osiach stałych i skrzynie planetarne o osiach obracających się. Natomiast w bezstopniowych skrzyniach biegów znajdują się przekładnie hydrauliczne, mechaniczne oraz elektryczne. Najczęściej w pojazdach samochodowych można natrafić na przekładnie hydrokinetyczne.

Podział ze względu na sposób sterowania

To kolejny, bardziej znany podział skrzyń biegów. Można wyróżnić w tym przypadku: skrzynie manualne, półautomatyczne (sekwencyjne) oraz automatyczne.

Skrzynie manualne najczęściej wykorzystują przekładnie stopniowe. Kierowcy właściwe biegi włączają za pomocą układu dźwigienki. W trakcie zmiany przełożenia konieczne jest wciskanie pedału sprzęgła.

Z kolei półautomatyczne skrzynie biegów posiadają urządzenie sterujące, które automatycznie przełącza przekładnie. W ich przypadku to kierowca wybiera określony bieg.

W przypadku automatycznej skrzyni biegów zaangażowanie kierowcy w ich pracę ogranicza się do minimum. Ustawia on jedynie zakres pracy przekładni, a dobór odpowiedniego dla danych warunków przełożenia dokonuje się w sposób samoczynny.

Inne typy skrzyń biegów

Dodatkowo można wyróżnić skrzynie: kłowe, CVT bądź dwusprzęgłowe. W dalszej części tekstu nasza uwagę skierujemy właśnie na nich, a także na wspomnianych wcześniej klasycznych rodzajach skrzyń biegów.

Czym charakteryzują się poszczególne rodzaje skrzyń biegów?

Kłowa skrzynia biegów

To zarazem najprostsza, jak i najstarsza konstrukcja tego typu. Cechuje się tym, że zawiera dużą liczbę kół zębatych, które dość znacząco różnią się od kół, występujących w manualnych skrzyniach biegów pod względem konstrukcyjnym. Nie posiadają one podcięć i zaokrągleń, co sprawia, że cały układ jest w stanie przenosić ogromne momenty obrotowe bez poniesienia uszczerbku.

Kłowe skrzynie biegów były chętnie wykorzystywane do niedawna w samochodach wyścigowych ze względu na swoją wytrzymałość.

Natomiast nie znalazły one uznania w oczach producentów „zwykłych” aut. Powodem jest brak większego sensu, gdyż robią one wielki hałas, zgrzytają w trakcie zmiany biegów, a do tego nie są wyposażone w synchronizatory, co sprawia, że płynna zmiana przełożeń jest mocno utrudniona.

Manualna skrzynia biegów

W manualnej skrzyni biegów to przekładnie zębate są odpowiedzialne za zmianę przełożeń. Kierowca wybiera odpowiednie przełożenie i drogę przepływu mocy w przekładni za pomocą zsynchronizowanego układu sprzęgieł, używając do tego ręcznej dźwigni zmiany biegów.

Manualna skrzynia biegów – budowa i działanie

Zespół umieszczony na wałkach (głównym, pośrednim i sprzęgłowym) kół zębatych i mechanizm ich przesuwu są głównymi elementami manualnej skrzyni biegów. Łożyska również wchodzą w skład skrzyni. Mocowane są do nich wałki i uszczelniacze, które zapobiegają wyciekowi oleju.

Koła zębate są wyposażone w synchronizatory i przesuwaki. Ich zadaniem jest przyspieszenie wyrównywania się prędkości obrotowych sprzęganych elementów. Te nowsze skrzynie biegów są wyposażone w czujnik uruchamiania biegu wstecznego, aktywujący światła cofania.

Koło zębate, umieszczone na wałku sprzęgłowym przenosi napęd na koło zębate wałka pośredniego. Na głównym i ostatnim wałku umieszczone są pary kół, które są odpowiedzialne za konkretne biegi. W przypadku uruchomienia konkretnego biegu, pozostałe koła zębate zostają rozłączone.

W manualnych skrzyniach biegów stosuje się dwa różne rozwiązania w kontekście zmiany przełożenia: nadbieg oraz przełożenie bezpośrednie. W tym drugim rozwiązaniu wałek sprzęgłowy i główny są połączone w bezpośredni sposób, co sprawia, że ich prędkości obrotowe są identyczne.

Przełożenie w przypadku nadbiegu wynosi mniej niż 1 (np. 0,99), co oznacza, że prędkość obrotowa wałka głównego jest wyższa niż prędkość, którą osiąga wałek sprzęgłowy. Ów rozwiązanie jest stosowane ze względów ekonomicznych. Nadbieg pozwala zaoszczędzić na paliwie, redukuje hałas i potrafi zmniejszyć zużycie elementów układu napędowego. W przypadku, gdy auto porusza się z jednostajną, dużą prędkością i nie napotyka większych oporów ruchu (np. w trakcie jazdy na autostradzie).

Zalety manualnej skrzyni biegów:

– duża wytrzymałość,

– niska cena,

– tanie w utrzymaniu,

– niska awaryjność,

Jakość i trwałość obecnych skrzyń automatycznych wzrosła znacząco, dlatego powyższe zalety nie są już tak wyraźne jak kiedyś. Poza tym można zauważyć spadek tych wartości w skrzyniach ręcznych.

Wady manualnej skrzyni biegów:

– W trakcie zmiany biegów trzeba wciskać pedał sprzęgła,

– Spore koszty części zamiennych,

– Naprawa jest dosyć skomplikowana,

– Przy wysokiej prędkości obrotowej silnika trudno jest przejść na wyższy bieg,

Trzeba przyznać, że automat jest wygodniejszym rozwiązaniem, zwłaszcza, gdy mamy na myśli miejską jazdę, która obfituje w hamowanie i ruszanie z miejsca.

Automatyczna skrzynia biegów

Komfort jazdy z automatem jest niepowtarzalny. Dawniej wadą tego rozwiązania była mniejsza dynamika jazdy i podwyższone spalanie, ale obecnie problem ten został rozwiązany i automaty są w stanie nawet poprawić przyspieszenie.

W ich przypadku biegu zmieniają się samoczynnie, w zależności od obciążenia silnika. Kierowca ma jedną rolę: włączyć odpowiedni tryb pracy skrzyni.

Tryb pracy automatycznej skrzyni biegów

Za włączanie różnych trybów pracy automatu służą przyciski, które znajdują się na panelu obsługującym automatyczną skrzynie biegów i są oznaczone różnymi literami. Owe przyciski to:

P (Park) – jest on przeznaczony do postoju auta. Wrzucanie jej w przypadku nawet minimalnego ruchu jest zabronione, gdyż może to grozić uszkodzeniem skrzyni biegów. Położenie włącza mechaniczną blokadę kół. Zalecane jest wcześniejsze zaciągnięcie ręcznego.

R (wsteczny) – ów przycisk włącza się tylko w jednej sytuacji: na postoju przy pomocy pedału hamulca. Zdarza się, że przy załączaniu towarzyszy lekkie szarpnięcie.

N (bieg jałowy) – jest to tzw. „luz”. Istnieje możliwość holowania na nim samochodu, ale nie jest to polecana opcja. Uruchomienie tego przycisku w trakcie jazdy z włączonym silnikiem może skończyć się usterką.

D (jazda do przodu) – jest to główny tryb pracy skrzyni. Obsługuje on samoczynnie wszystkie biegi, które są używane w trakcie jazdy do przodu.

S (jazda sportowa) – jest ona dostępna w nowszych autach i pozwala na szybszą zmianę przełożeń.

W skrzyniach automatycznych, w których możliwa jest ręczna zmiana biegów, znajdują się dodatkowo przyciski: „+” oraz „-„. Pozwalają one uruchomić wyższe oraz niższe przełożenie.

Budowa i działanie automatycznej skrzyni biegów

Klasyczny automat różni się od zwykłej skrzyni z automatycznym sterowaniem pod względem konstrukcji, a także sposobu przeniesienia napędu. W przypadku skrzyń ręcznym są one wyposażone w sprzęgła, natomiast w skrzyniach automatycznych mamy do czynienia z konwerterem momentu obrotowego lub sprzęgłem hydrokinetycznym, które są odpowiedzialne za przekazywanie napędu do kół. Budowa automatu jest również złożona z zespołów przełożenia, czyli układów planetarnych przekładni zębatych oraz ze sterujących pracą skrzyni zespołów sterowania.

W tych nowszych modelach automatów za sterowanie są odpowiedzialne zazwyczaj układy elektroniczne zewnętrzne w stosunku do samej skrzyni. Z kolei elektrozawory „wewnętrzne” są elementami wykonawczymi komputerów zarządzających pracą skrzyni biegów. Nie brakuje również czujników elektronicznych w przypadku tej ostatniej. Są one odpowiedzialne za rejestrowanie ciśnienia oraz temperaturę oleju, a także prędkość obrotową poszczególnych elementów wirujących.

Poza tym oprogramowanie automatycznej skrzyni biegów jest w stanie monitorować prędkość pojazdu i inne parametry, związane z poprawną jazdą. Zmiana biegów jest realizowana samoczynnie w stosunku do prędkości w oparciu o napływające informacje.

Zalety automatycznej skrzyni biegów:

– wygoda,

– płynna oraz szybka zmiana biegów,

– inteligentna zmiana przełożeń,

Powyższe zalety są tym, za co pokochali automaty Amerykanie. W Europie i Polsce nie są one jeszcze zbyt popularne, ale łatwo zaobserwować, że to się zmienia.

Wady automatycznej skrzyni biegów:

– Diagnostyka bywa problematyczna,

– Występujący syndrom spóźnionej reakcji, ociężałość auta,

– Naprawy są dosyć kosztowne,

– W przypadku starszych typów skrzyń automatycznych większe zużycie paliwa,

Najczęstszym powodem rezygnacji z automatów jest dosyć wysokie koszty naprawy. Za większość awarii w ich przypadku odpowiada nieprzestrzeganie zasad dotyczących właściwej eksploatacji oraz serwisowania.

Trzeba jednak przyznać, że budowa wielu modeli skrzyń automatycznych jest po prostu niedopracowana. Dlatego właściwe jest pytanie, nie „czy się zepsuje”, ale „kiedy to nastąpi”.

Półautomatyczna skrzynia biegów

Zwane są inaczej skrzyniami zautomatyzowanymi lub zmechanizowanymi. W gruncie rzeczy są to mechanizmy, które udają klasyczne automaty. Są one powszechne w tańszych autach miejskich, ale można je znaleźć także w modelach: BMW, Ferrari, Audi, a nawet w pojazdach Formuły 1.

Nie mają one najlepszej opinii, gdyż kojarzą się z powolnymi, szarpiącymi i awaryjnymi systemami. Można stwierdzić, że wielu producentów traktuje je jako sposób na wprowadzenie do swojej oferty automatu. Nie ma ona zbyt wiele wspólnego z automatem, ale niektórzy kierowcy, nieznający tematu mogą się nabrać, gdyż nie ma tam pedału sprzęgła i biegi są zmieniane samoczynnie.

Budowa i działanie półautomatycznej skrzyni biegów

Budowa jest bardzo podobna do tej ze skrzyni manualnej. Jedyną różnice można znaleźć w module sterowania.

Przekładnia zmechanizowana działa razem z suchym sprzęgłem, którym steruje siłownik hydrauliczny wspierany przez pompę elektryczną. Można tam również znaleźć: wałek wybieraka, siłownik wybieraka, hydrauliczny akumulator ciśnienia, sterownik elektroniczny, a także czujnik wybranego przełożenia.

Za pomocą lewarka lub łopatek dokonuje się zmiana przełożenia w półautomatycznej skrzyni biegów. Kierowca sam wybiera biegi, natomiast to system sterowany przez mikroprocesor odpowiada za rozłączenie i załączanie sprzęgła w momencie zmiany biegu.

Zalety półautomatycznej skrzyni biegów:

– koszt produkcji jest niski,

– ma niewielkie rozmiary,

– posiada prostą budowę,

Dzięki kompaktowym rozmiarom jest ona często stosowana w mniejszych samochodach miejskich. Niestety, ale wad jest znacznie więcej.

Wady półautomatycznej skrzyni biegów

– koszty naprawy są dosyć wysokie,

– wolne działanie,

– są podatne na uszkodzenia,

– występujące, podczas gwałtownego hamowania „rwanie”,

– nieprzyjemny zapach palonego sprzęgła w trakcie podjazdów na wzniesienia,

– dostępność części zamiennych jest dosyć ograniczona,

Dane skrzynie biegów działają jedynie z powodzeniem na płaskim terenie przy spokojnej jeździe. Są one dodatkowo bardzo wolne w działaniu i potrafią dobierać przełożenia, które są niezgodne z intencjami kierowcy.

Dwusprzęgłowa skrzynia biegów

To kolejny rodzaj przekładni. Łączy on ze sobą najlepsze cechy skrzyni manualnej oraz klasycznej skrzyni automatycznej.

Można ów rodzaj przekładni znaleźć pod różnymi nazwami jak: Power Shift (Ford), DCT (BMW, Kia, Hyundai), Speedshift (Mercedes), EDC (Renault) bądź TCT (Alfa Romeo).

Budowa i działanie dwusprzęgłowej skrzyni biegów

Budowa jest oparta na dwóch równoległych, umieszczonych w jednej obudowie, skrzynek biegów. Dwa osobne sprzęgła wielopłytkowe w owym mechanizmie przekazują napęd na właściwe pary kół zębatych przy pomocy dwóch różnych wałków sprzęgłowych. Jedne sprzęgło jest odpowiedzialne za biegi parzyste, a drugie za nieparzyste. Gdy następuje zmiana biegu, jedno sprzęgło zaczyna swoją pracę, a drugie jest w tym czasie wyłączone, co sprawia, że napęd przenosi na kolejne koła zębate.

Takie rozwiązanie sprawia, że w trakcie jazdy na danym biegu, kolejny jest zawsze gotowy do pracy. Czas zmiany biegów w przekładniach DSG wynosi jedynie ok. 300-400 milisekund. Komputer decyduje, jaki bieg ma zostać użyty i uruchamia go przy pomocy siłowników hydraulicznych, a jest to możliwe, dzięki ciśnieniu hydraulicznemu.

Zalety skrzyni dwusprzęgłowej

– dostępny tryb sekwencyjny,

– wysoka trwałość,

– zmiana biegów następuje szybko,

– brak wstrząsów i szarpnięć,

– zmiana przełożeń jest optymalizowana pod względem dynamiki oraz ekonomii jazdy,

Pierwiastek, pochodzący od klasycznego automatu, czyli sterowanie elektroniczne pozwala na optymalizację zmiany przełożeń pod względem dynamiki oraz ekonomii jazdy. Niewątpliwą zaletą jest również tryb sekwencyjny, który umożliwia samodzielne wybranie przełożeń.

Wady skrzyni dwusprzęgłowej

– Cena zakupu i serwisowania jest dosyć wysoka,

– Duża masa własna,

– Program gwałtownej redukcji biegów jest dosyć niedopracowany,

Zalety zdecydowanie przykrywają wady owej skrzyni biegów, dlatego warto dopłacić kilka tysięcy, aby móc korzystać z tego typu przekładni.

Bezstopniowa skrzynia biegów CVT

Bezstopniowa skrzynia biegów CVT (Continously Variable Transmission) jest ostatnim z prezentowanych w tym artykule skrzyń biegowych. Ów rodzaj przekładni można spotkać w samochodach z małym silnikiem oraz w samochodach japońskich marek, a zwłaszcza w modelach hybrydowych.

Stanowią one ciekawe i praktyczne rozwiązanie, ale nie cieszą się zbyt dużą popularnością. Poza tym opinie na temat niektórych z nich są nieprzychylne, delikatnie mówiąc. Nie zmienia to faktu, że ów rodzaj przekładni cały czas się rozwija i jest udoskonalany.

Budowa i działanie skrzyni CVT

Działają one podobnie jak przekładnie w skuterach. Moment obrotowy jest przenoszony przez pas współpracujący z kołami stożkowymi. Różnicą jest to, że w autach ze skrzynią CVT pas wygląda jak metalowy łańcuch, a w przekładniach jednośladowych jest on gumowy.

Budowa skrzyni biegów CVT jest relatywnie prosta. To samo dotyczy schematu działania. Metalowy pas przemieszcza się po bieżniach dwóch zestawów stożków, które zmieniają swoje położenie poprzez zbliżanie i oddalanie się od siebie. Pas współpracuje z dwoma kołami zapasowymi. Każde z nich zbudowane jest z dwóch stożków i gdy jeden z nich się odsuwa, to automatycznie zostaje zmniejszona średnica, na której pracuje pas. Stożek na drugim kole przysuwa się w celu utrzymania stałego naciągu pasa. Gdy zmienia się średnica, to automatycznie zmienia się przełożenie, które są wykonywane, gdy odczytane zostają informacje ze sterownika.

Zalety skrzyni biegów CVT

– zużywa mniejszą ilość paliwa,

– skrzynia jest relatywnie lekka i ma kompaktowe rozmiary,

– układ napędowy i silnik cechują się większą trwałością,

– prędkość obrotowa silnika jest niezmiennie utrzymywana bez względu na zmiany prędkości auta,

Bezstopniowa skrzynia biegów CVT jest jedynym rodzajem przekładni, która pozwala na utrzymywanie takiej samej prędkości obrotowej silnika bez względu na zmiany prędkość auta. Zapewnia płynne przenoszenie momentu na koła bez przerw na zmianę biegów i pozwala na odpowiedni dobór przełożenia do zapotrzebowania na moment obrotowy. Samochody ze skrzyniami CVT zużywają również mniej paliwa niż auta z automatami, a jednocześnie zapewniają podobny komfort jazdy.

Wady skrzyni biegów CVT

– Kosztowne naprawy,

– Przekładnia jest mało sprawna i dynamiczna,

– Odgłos silnika jest jednostajny,

Jednostajny odgłos silnika jest tym, na co często narzekają posiadacze aut ze skrzyniami biegów CVT. Aby wyeliminować ten efekt niektórzy producenci stosują tzw. wirtualne przełożenia, czyli zaprogramowane momenty, w których płynne przesuwanie łańcucha po bieżni stożków jest blokowane.

Podsumowanie

Każdy rodzaj przekładni ma swoje wady i zalety. Różnią się one pod względem budowy i działania, co ma wpływ na ich użytkowanie i potencjalne naprawy. Każdy kierowca ma swoje preferencje i wybór odpowiedniego rodzaju jest kwestią indywidualną. Najlepiej jest wypróbować każdą z nich, aby móc dokonać obiektywnego wyboru.