Historia i rozwój automatycznych skrzyń biegów

, 15 stycznia 2020, 8:20

Pionierskie urządzenia mają to do siebie, że przeważnie są niedoskonałe, tak też było w przypadku zarówno konstrukcji samochodu z wykorzystaniem silnika spalinowego, jak i pierwszych prób stworzenia skrzyni biegów. Pierwszą przekładnię, jeszcze nie automatyczną, zbudował i zastosował w 1891 roku francuski konstruktor Rene Panhard. Była to 3-stopniowa skrzynia, zamontowana do dwucylindrowego silnika o pojemności 1,2 l w układzie V.

Konstrukcja protoplasty obecnych skrzyń biegów nie była mocno skomplikowana. Jej podstawą były 2 wałki z kołami zębatymi o prostych zębach i różnej średnicy. Zmiana przełożenia odbywała się za pomocą tych kół zębatych, które miały możliwość przesunięcia się wzdłuż osi wałka i zazębieniu z kołem zamontowanym na sąsiednim wałku. Napęd był przekazywany na koła tylne za pomocą przekładni łańcuchowej. Warto zaznaczyć, że pierwsze konstrukcje nie posiadały synchronizatorów, dlatego kierowcy musieli mieć duże umiejętności do prawidłowej zmiany przełożeń.

13 lat od zbudowania pierwszej skrzyni biegów, w roku 1904, w warsztacie braci Sturtevant w Bostonie (USA) stworzono pierwszą, automatyczną skrzynię biegów. Miała ona dwa biegi do przodu. Jej funkcjonowanie było oparte na prostej zasadzie działania siły odśrodkowej. Proces zmiany przełożenia z biegu niższego na wyższy następował w sposób samoczynny, podczas wzrostu obrotów silnika. Natomiast gdy obroty spadały, mechanizm zrzucał bieg na niższy. Niestety z powodu wykorzystania słabej jakości materiałów, konstrukcja z 1904 roku była bardzo zawodna.

Kilka lat po tym fakcie, podczas budowy modelu T, Henry Ford zaprojektował planetarną skrzynię biegów z dwoma przełożeniami w przód i biegiem wstecznym. Jednak sterowanie nie było w pełni automatyczne, ponieważ kierowca biegi obsługiwał pedałami, co było, jak na ówczesne standardy, najprostszą konstrukcją do opanowania. Inżynier Witold Rychter wspominał niegdyś w jednej z książek, że opanowanie prowadzenia Forda T zajęło mu niecałe pół godziny, co jak na ówczesny poziom zmotoryzowania i wiedzy o technice prowadzenia jest wynikiem z pewnością bardzo dobrym.

Automatyczne skrzynie biegów w najprostszej wersji składały się ze sprzęgła hydraulicznego i przekładni planetarnej. W okresie międzywojennym General Motors i REO opracowały półautomatyczne, sekwencyjne skrzynie biegów wykorzystujące tradycyjne sprzęgło i przekładnię planetarną sterowaną hydraulicznie. Chrysler stworzył własną konstrukcję wykorzystując samoczynne sprzęgło hydrauliczne i mechaniczną przekładnię, co zaowocowało zniknięciem jednego pedała z podłogi przed kierowcą, pozostawiając drążek zmiany biegów. Rozwiązania półautomatyczne można uznać za protoplastów obecnych skrzyń typu Selespeed czy Tiptronic.

Hydrauliczna skrzynia biegów – Hydra-matic, Dynaflow, Ford-O-Matic, Powerglide

Hydra-matic była pierwszą masowo produkowaną automatyczną skrzynią biegów w samochodach osobowych. Miała cztery przełożenia i bieg wsteczny. Składała się z hydraulicznej przekładni planetarnej i hydraulicznego sprzęgła, co eliminowało potrzebę jego odłączania (jak w przypadku sprzęgła ciernego).

General Motors w maju roku 1939, wprowadził w marce Oldsmobile automatyczną skrzynię biegów (Hydra-matic) do samochodów z roku modelowego 1940. Dostępna jako wyposażenie opcjonalne, rok później przekładnia trafiła także do pojazdów marki Cadillac.

To rozwiązanie odniosło duży sukces sprzedażowy. Licencję na tę przekładnię hydrauliczną kupiło od GM kilku producentów samochodów, w tym Rolls Royce, Bentley, Lincoln czy Nash. Podczas wojny skrzynia Hydra-matic była stosowana także w różnych pojazdach wojskowych (np. czołgu M5 Stuart, M24 Chaffee). Po wojnie, w roku 1948, Hydra-matic stał się opcją także w modelach Pontiaca.

Buick i Chevrolet postanowili opracować własne skrzynie biegów. Buick stworzył konstrukcję o nazwie handlowej Dynaflow, która posiadała przemiennik momentu obrotowego zamiast sprzęgła hydraulicznego, natomiast Chevrolet wypuścił konstrukcję o nazwie Powerglide. Obie przekładnie wykorzystywały dwubiegowe konwertery momentu obrotowego i hydrauliczną przekładnię planetarną.

Ford poszedł jeszcze inną drogą. Na początku zwrócił się do Studebaker o możliwość zakupu praw do korzystania z automatycznej skrzyni DG – opracowanej przez oddział Detroit Gear z BorgWarner. Studebaker zgodził się, lecz zastrzegł, że Ford będzie mógł korzystać z tego rozwiązania dopiero rok po wprowadzeniu go do samochodów Studebaker. Czas działał jednak na niekorzyść giganta, w związku z rosnącym zainteresowaniem automatycznymi przekładniami, więc Ford i oddział BorgWarner podpisali w 1948 roku umowę na dostawę połowy przekładni dla Forda przez okres pięciu lat. Drugą połowę niezbędnych komponentów miał wytwarzać Ford lub inny dostawca.

Dzięki tak skonstruowanej umowie Ford sam wydał licencję i rozpoczął prace montażowe nad automatyczną skrzynią w fabryce w roku 1951. Nowa przekładnia Forda nosiła nazwę Ford-O-Matic, posiadała 3 biegi w przód i bieg wsteczny. Wykorzystywała zintegrowany przemiennik momentu obrotowego i przekładnię planetarną, co przełożyło się na lepszą kulturę pracy podzespołu. Biegi były zmieniane płynnie z dwóch powodów – owego zintegrowanego przemiennika, a także zmiany kolejności biegów z PNDLR na PRNDL, co miało na celu zmniejszenie „szoku momentu obrotowego” między przełożeniami.

Skrzynia bezstopniowa – CVT

Sama koncepcja bezstopniowej przekładni automatycznej jest jeszcze starsza od popularnego „manuala”. Historię tego rodzaju przekładni w samochodach zapoczątkował pionier Milton Reeves, który opracował koncepcję bezstopniowej skrzyni biegów. Wynalazł on w 1879 roku przekładnię o zmiennej prędkości, z początkowym zamysłem, do frezowania piły, by w roku 1896 zastosować ją w swoim pierwszym samochodzie. Nie była to jednak produkcja seryjna.

Dopiero w 1926 roku George Constantinesco wraz z początkiem produkcji samochodu „Constantinesco” rozpoczął rozpowszechnianie tego rodzaju skrzyni biegów. Inspiracją do stworzenia takiego samochodu był wynalazek Georga z 1923 roku – mechaniczny przemiennik momentu obrotowego. Zastąpił on bezstopniową przekładnią trudną do opanowania i mało precyzyjną, manualną skrzynię biegów.

Przełożenia skrzyni bezstopniowej Constantinesco były określone przez oscylację wahadła, natomiast zakres oscylacji był określony przez kilka zmiennych: masę wahadła, odpowiednie zamocowanie, wymiary, moment obrotowy, prędkość silnika i kół jezdnych. W samochodzie zastosowano konwerter momentu obrotowego mas oscylacyjnych, by nie było potrzeby stosowania ciężkich i skomplikowanych skrzyń manualnych, które wymagały zmiany biegów i narażały producenta na niepewną efektywność działania.

Fot: commons.wikimedia.org

Zastosowanie protoplasty skrzyni bezstopniowej przyniosło pozytywny rezultat. Dzięki niskiej masie samochodu, poprzez montaż lekkiej, małej i prostej przekładni, Constantinesco potrzebował znacznie mniejszego silnika. Zastosował dwucylindrową, dwusuwową jednostkę o pojemności 494 cm3, a sama przekładnia wylądowała pomiędzy cylindrami silnika.

Na konstrukcję mocno zbliżoną do obecnych przekładni CVT świat musiał poczekać do końca lat 40., kiedy to Charles H. Miner z Denver dokonał przełomowych postępów w technologii skrzyń bezstopniowych. Charles opracował m.in. koło pasowe o zmiennej prędkości, wykorzystujące stalowe kulki i siłę odśrodkową, do manipulowania ruchomą stroną końcówki napędowej sprzęgła z pasem klinowym. Swoje rozwiązania opatentował i założył firmę Miner Pulley produkującą koła pasowe sprzęgła, którą później, ze względów zdrowotnych, sprzedał firmie Warner Clutch.

Jeden z patentów Charlesa H. Minera.

Narodziny skrzyni CVT, zwanej również Variomatic, datuje się na koniec lat pięćdziesiątych. Zaprojektowana i zbudowana została przez Huba van Doorne’a, współzałożyciela Automobiel Fabriek (DAF).

Pierwszy samochód DAF wykorzystujący CVT van Doorne’a, DAF 600, został wyprodukowany w 1958 roku. Jego patenty zostały później przeniesione do firmy o nazwie VDT – Van Doorne Transmissie B.V., kiedy dział samochodów osobowych został sprzedany Volvo w 1975 r., jego CVT zastosowano w Volvo 340. W 1995 roku VDT zostało przejęte przez firmę Bosch.

Skrzynia dwusprzęgłowa – DSG, PDK, DCT

Rozwój automatycznej skrzyni biegów wykorzystującej podwójne sprzęgło rozpoczął się na początku 1980 roku pod kierunkiem Harry’ego Webstera z Automotive Products. Prototypowe przekładnie zostały zastosowane w Fordzie Fiesta Mk1, Ranger i Peugeocie 205. Wczesne instalacje z podwójnym sprzęgłem AP posiadały pojedyncze suche sprzęgło i mokre sprzęgło wielopłytkowe.

Przekrój skrzyni DSG, fot: wikipedia.org

Porsche po raz pierwszy zastosowało skrzynię dwusprzęgłową w 1983 roku w samochodach wyścigowych Le Mans 956 i 962, a także legendarnej Audi Sport Quattro S1. Dwusprzęgłowa skrzynia biegów eliminuje przemiennik momentu obrotowego stosowany w konwencjonalnych automatycznych skrzyniach biegów z przekładnią epicykliczną.

Obecnie dostępne na rynku przekładnie z podwójnym sprzęgłem wykorzystują przede wszystkim dwa sprzęgła wielotarczowe skąpane w oleju tzw. mokre, choć dostępne są również wersje z suchym sprzęgłem.

Pierwszym seryjnie produkowanym samochodem drogowym ze skrzynią dwusprzęgłową (DSG) był Volkswagen Golf Mk4 R32 z 2003 roku.

Od pionierskich dni automatycznych skrzyń biegów w latach trzydziestych, liczba oferowanych przełożeń stale rośnie. Jeszcze w latach siedemdziesiątych trzy biegi były uważane za wystarczające, ale presja na zmniejszenie zużycia paliwa zwiększyła potrzebę dodania większej liczby przełożeń. Obecnie automat 6-biegowy jest powszechny, a producenci opracowują przekładnie 9- i 10-biegowe. Oto niektóre z najważniejszych.

Komentarze

Komentarz musi być dłuższy niż 5 znaków!

Proszę zaakceptuj regulamin!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za treść komentarzy, które są wyłącznie prywatną opinią ich autorów. Jeśli uważasz, że któryś z kometarzy jest obraźliwy, zgłoś to pod adres redakcja@motofocus.pl.

Adam, 19 stycznia 2020, 20:24 2 0

Atutem i przewagą konkurencyjną na rynku jest przynależność do Sieci QSERVIS CASTROL, bo daje swoim warsztatom bezpłatny dostęp do dokumentacji technicznej automatycznych skrzyń biegów ZF oraz sposobu ich napraw.

Odpowiedz