Choć ręczna skrzynia biegów stosowana jest w motoryzacji od samego początku, to powoli odchodzi w niepamięć w miarę, jak pojawiają się coraz bardziej zaawansowane skrzynie automatyczne, które dodatkowo pozwalają osiągać niższe spalanie. Kwestią dyskusyjną jest to, czy w 2023 r. manualna skrzynia biegów ma jeszcze prawo istnieć obok przekładni automatycznej – doskonale zaprogramowanej i wydajnej – choć daleko bardziej skomplikowanej technicznie i wymagającej pod względem konserwacji. Jedno jest pewne: istnieją producenci, którzy nawet dziś pod żadnym pozorem nie chcą jej wycofać z oferty.

Dlaczego konieczna jest zmiana biegów?

Na początku należy zaznaczyć, że mówimy wyłącznie o samochodach spalinowych, ponieważ pojazdy elektryczne wykorzystują inny rodzaj przekładni – o ile tak ją można w ogóle nazwać. Istnieją samochody elektryczne wyposażone w manualną skrzynię biegów, która jednak nie ma wpływu na napęd, będąc jedynie atrapą. Są też samochody elektryczne z mechaniczną zmianą biegów: na przykład Porsche Taycan ma dwa biegi, ale kierowca sam ich nie zmienia, robi to za niego automat.

Choć może się to wydawać dziwne, zmiana biegów była pierwotnie niepożądanym ograniczeniem technicznym. Dzisiejsze samochody osobowe mają szeroki zakres prędkości obrotowych, ale to za mało, by jednym dobrze dobranym biegiem pokryć cały zakres prędkości samochodu – nie mówiąc już o dynamice, która jest naprawdę zadowalająca tylko w pewnym zakresie obrotów. Poniżej 400-600 obrotów na minutę silnik nie jest w stanie utrzymać prędkości, zaś praca na prędkościach powyżej 8000-9000 zazwyczaj nie obywa się bez uszkodzeń.

Brak dynamiki staje się naprawdę istotnym problemem, gdy weźmiemy pod uwagę, że prędkość obrotowa silnika jest wielokrotnie wyższa od prędkości obrotowej kół napędzanych, więc aby móc normalnie prowadzić pojazd, konieczna jest przekładnia redukująca prędkość (i zwiększająca moment obrotowy).

Przełożenie – czyli mnożnik obrotów silnika

Gdy samochód jest na niskim biegu, podczas ruszania, liczba obrotów silnika przypadająca na obrót koła jezdnego jest bardzo wysoka – wtedy bowiem samochód wymaga największej możliwej siły. Dlatego mówimy, że na niskim biegu przełożenie jest wysokie.
W przekładni na każdym biegu od strony silnika i od strony napędu łączą się ze sobą dwa koła zębate. W praktyce duże przełożenie oznacza, że koło zębate od strony silnika jest małe, a napędzane przez nie koło zębate po stronie napędu jest duże. W takiej sytuacji stosunkowo niewielka liczba obrotów koła jezdnego przypada na jeden obrót silnika, choć rekompensatą jest wysoki moment obrotowy.

Zasada jest taka: im wyższy bieg, tym niższe przełożenie, a tym samym tym większa strata momentu obrotowego. Ten jednak nie jest w dalszym etapie aż tak potrzebny jak przy ruszaniu, tym bardziej, że w zamian otrzymujemy większą prędkość.
Jeśli chodzi o osie kół zębatych, to istnieją dwa główne rodzaje. W jednej wersji są tylko dwie osie (wejściowa i wyjściowa), w drugiej jest też trzecia, tzw. wałek zębaty. Niepodważalną zaletą tego drugiego rozwiązania jest możliwość przełożenia 1:1, czyli bezpośredniego, w którym w przenoszeniu mocy nie biorą udziału żadne koła zębate.

Synchronizator w skrzyni biegów

Wczesne skrzynie biegów musiały rozwiązać wiele problemów technicznych, o których powiemy poniżej. Pierwszym problemem było to, że moment obrotowy w danej chwili może przenosić tylko jeden z biegów. Powstało wiele praktycznych konstrukcji, ale wyróżniamy dwa podstawowe mechanizmy do łączenia wybranych par biegów.
Przez długi czas skrzynie biegów były wyposażone w wałek żeberkowy, który podczas zmiany biegów wciskano w parę kół zębatych, które miały się obracać razem.
Stosunkowo szybko pojawiły się również pary kół zębatych pozostających w stałym kontakcie: jedno koło zębate obracało się swobodnie na swoim wałku, dopóki nie zostało z nim zespolone za pomocą łącznika. Łącznik był zwykle tuleją z możliwością przesuwania na wałku wielowypustowym, wyposażoną w ząbki, które wchodziły w rowki koła zębatego, zapewniając trwałe połączenie.
W przypadku ręcznych przekładni mechanicznych nieuniknione jest, że koła zębate (a zarazem osie) obracają się z różnymi prędkościami obwodowymi z powodów wymienionych powyżej.
Kiedy przełączamy się z jednego biegu na drugi, różnice między prędkościami obwodowymi bardzo utrudniają zmianę. Dlatego w wielu starych ręcznych skrzyniach biegów występowała konieczność dwukrotnego użycia sprzęgła przez kierowcę: najpierw kierowca zmieniał bieg na neutralny, puszczał sprzęgło, a następnie ponownie je wciskał i przeciąga dźwignię zmiany biegów na kolejny bieg.
Problem ten został rozwiązany dzięki synchronizacji.

Synchronizację realizuje przełącznik kłowy ze sprzęgłem ciernym o małej mocy. Przed załączeniem przełącznika kłowego zamyka się sprzęgło cierne, wyrównując różnicę prędkości obwodowych przed ustanowieniem sztywnego połączenia. Sprzęgła można łączyć bez znacznego obciążenia dynamicznego, dzięki czemu jednym naciśnięciem pedału sprzęgła możemy łatwo zmieniać biegi.

Zalety i wady – dlaczego manualne skrzynie biegów odchodzą w zapomnienie?

Najtańszą w eksploatacji skrzynią biegów jest wersja obsługiwana całkowicie ręcznie. Jej masa, wymagania serwisowe i cena są znacznie niższe niż któregokolwiek z konkurentów.
Choć jej obecność byłaby pod każdym względem uzasadniona ekonomicznie, to w dłuższej perspektywie rynek decyduje o tym, co jest potrzebne. Ostatnie dekady dowodzą, że coraz mniej nabywców samochodów chce korzystać z manualnych skrzyń biegów. Pod względem komfortu jest ona najmniej wygodna w obsłudze.