Na rynku części zamiennych można spotkać zamienniki dwumasowego koła zamachowego, oferowane jako zestaw składający się ze standardowego koła jednomasowego i tradycyjnego zestawu sprzęgłowego – z elastyczną tarczą sprzęgłową z tłumikiem drgań skrętnych. Czy takie zamienniki można i warto stosować w nowoczesnych silnikach? Przedstawiamy stanowisko specjalistów firmy ZF.

Dwumas czy zamiennik? Geneza problemu.

Dlaczego producenci współczesnych pojazdów, dążący do zmniejszania kosztów ich produkcji, nie stosują tańszego rozwiązania, jakim jest doskonale znane, standardowe koło zamachowe z elastyczną tarczą sprzęgłową? Wymiana takiego elementu w pojazdach starszej generacji nie przysparzała przecież większych problemów, a samo koło zamachowe co najwyżej wymagało serwisowania w postaci przetoczenia.

Koła dwumasowe zamachowe zostały wprowadzone do seryjnej produkcji pod koniec lat osiemdziesiątych i dzisiaj stosowane są w układach przeniesienia napędu w około 75% produkowanych pojazdów osobowych oraz coraz częściej w pojazdach użytkowych, komercyjnych powyżej 7 ton ładowności, o średnicach do 430 mm.

Koło 430 mm. – koło dwumasowe zamachowe stosowane w dzisiejszych pojazdach komercyjnych oraz koło z pojazdów osobowych – 6 stopni tłumienia.

Wprowadzenie koła dwumasowego do motoryzacji nie było tylko podyktowane podniesieniem komfortu w pojazdach poprzez lepszą filtrację drgań na układzie przeniesienia napędu, ale zostało wymuszone poniekąd jeszcze innymi aspektami. Było to m.in. wprowadzenie nowych technologii w układzie zasilania pojazdu, skutkującymi zwiększeniem ciśnień wtrysku, szczególnie w pojazdach z silnikami wysokoprężnymi. Wpływ miało także zastąpienie odlewów żeliwnych nowymi lżejszymi materiałami, mającymi za zadanie zmniejszyć masę pojazdów (jak stopy aluminium oraz magnezu, co przysporzyło problemów w związku z gorszą ich zdolnością do tłumienia drgań) oraz dążenie do coraz mniejszej emisji spalin, związanych z tak zwanymi normami EURO, a wprowadzanych sukcesywnie od początku lat 90-tych. Tu trzeba przypomnieć, że każda następna wchodząca norma jest ostrzejsza, bardziej restrykcyjna od poprzedniej. Dodatkowo stosowanie przekładni zmian biegów z coraz większą ilością przełożeń (ZF produkuje dzisiaj już manualne przekładnie z 7 biegami) spowodowało problemy z drganiami rezonansowymi szczególnie występującymi w zakresie obrotów biegu jałowego oraz niskich prędkości obrotowych, sprzyjających oszczędności w spalaniu paliwa.

Wzbudzenie normy Euro – wzrost wzbudzenia silnika poprzez wprowadzanie poszczególnych ostrzejszych norm ograniczenia emisji spalin.

Jak działa koło dwumasowe?

Dzięki zastosowaniu dwumasowego koła zamachowego można przenieść drgania rezonansowe znacząco poniżej prędkości obrotowej biegu jałowego. Tutaj trzeba przypomnieć, że stosunek momentów bezwładności silnika i skrzyni biegów w tradycyjnych starszych konstrukcjach pojazdów ze standardowym pojedynczym kołem zamachowym sprawia, że generowane przez silnik drgania przyczyniają się do uderzeń kół zębatych i powstania odgłosów klekotania.

Wprowadzenie tłumików drgań skrętnych w tarczach sprzęgłowych, w ostatnich generacjach występujących w wersjach 3-stopniowych, pozwoliło na przesunięcie co prawda występowania drgań rezonansowych w zakres mniejszych prędkości obrotowych, ale spełniało swe zadanie w starszych konstrukcjach układów przeniesienia napędu, gdzie nie dochodziło do tak znaczących obciążeń. A co za tym idzie powstawania tak mocnych drgań jak w dzisiejszych coraz lżejszych i jednoczenie o wiele mocniejszych (ilość mocy w przeliczeniu na pojemność) konstrukcjach pojazdów. Przykład: Mercedes 190 (W201) z 1992 roku z silnikiem D 2.0 miał 75 koni mocy oraz 126 Nm momentu przy 2700-3500 obr/min. Dzisiejsze auta przy tych samych pojemnościach osiągają o wiele większą moc, przykład: BMW F30 320D z silnikiem 2.0 osiaga moc 184 konie oraz przenosi 380 Nm już pomiędzy 1750 a 2750 obr/min.

Przeniesienie tłumika drgań skrętnych z tarczy sprzęgłowej do koła zamachowego i podzielenie go na 2 części (masy) pozwoliło na zastosowanie układu sprężystego o mniejszym współczynniku sztywności sprężyn, jego elastyczniejszej pracy i kątów skrętu dochodzących do 60°, dodatkowo stosuje się specjalnie opracowane smary, które mają za zadanie oprócz redukcji tarcia wewnętrznego układu, jednocześnie dodatkowo tłumić hydrokinetycznie. Najnowsze koła dwumasowe produkowane przez koncern ZF pod marką SACHS mogą posiadać do 6 stopni tłumienia.

Poprzez zmianę stosunków bezwładności oraz wprowadzenie efektywniejszego tłumika drgań, umiejscowionego w samym kole zamachowym, zakres drgań rezonansowych zostaje przesunięty do niższych prędkości obrotowych od pracy silnika na biegu jałowym, blisko zakresu obrotów rozrusznika. Dzisiejsze pojazdy z kołami dwumasowymi zamachowymi pracują nie tylko z prędkościami rzędu 700-800 obr./min na obrotach biegu jałowego, ale także pozwalają jeździć z mniejszymi prędkościami obrotowymi, na poszczególnych biegach co przyczynia się nie tylko do ograniczenia emisji spalin, ale pozwala też kierowcy zaoszczędzić na zużyciu paliwa, oszczędności te mogą dzięki zastosowaniu koła dwumasowego zamachowego dochodzić nawet do 5%.

Porównanie: tłumik w kole dwumasowym zamachowym oraz tłumienie konwencjonalnej tarczy sprzęgłowej – krzywa rezonansowa.

Należy również wspomnieć, że dzisiejsze manualne przekładnie zmian biegów, konstruowane są również pod kątem zastosowania koła dwumasowgo zamachowego w pojeździe i tutaj szczególnie trzeba wziąć pod uwagę zastosowanie rzadszych syntetycznych olei w tych przekładniach oraz najnowszych konstrukcji nie tylko synchronizatorów, gdzie powoli jako element cierny molibden zostaje zastępowany włóknem węglowym, ale również zastosowania stopów metali lekkich, które z jednej strony redukują masę pojazdu, są jednak bardziej podatne na przenoszenie drgań dalej na inne elementy układu przeniesienia napędu i karoserii.

Tarczki cierne synchronizatorów

Zestaw czteroelementowy z jednoelementowym kołem dwumasowym – czy warto?

Tutaj wracamy do naszego tematu, czy zamiast koła dwumasowego zamachowego można zastosować zestaw czteroelementowy
z jednoelementowym kołem dwumasowym i konwencjonalna konstrukcją tłumika drgań skrętnych w tarczy sprzęgłowej?  Oczywiście można, ale trzeba liczyć się z konsekwencjami, jakie mogą wystąpić w pojedzie po takiej wymianie, które mogą od razu lub po pewnym czasie, być przyczyna uszkodzenie elementów w układzie przeniesienia napędu, powodując powstanie znaczących kosztów naprawy. Szczególnie dzisiejsze konstrukcje skrzyń biegów są ponadnormatywnie obciążane przez takie zestawy, co dalej prowadzi do ich szybszego zuzycia.Zestawy z jednoelementowym kołem dwumasowym odbiegają znacząco charakterystyką tłumienia drgań w stosunku do dwumasowego koła zamachowego.

Porównanie wytłumienia drgań po stronie przeniesienia napędu.

Dodatkowo, trzeba wziąć pod uwagę, że każda jednostka napędowa oraz układ przeniesienia napędu jest zestrajany nie tylko mechanicznie, ale także "softwarowo" i w przypadku zastosowania koła dwumasowego zamachowego pozwala wykorzystywać nie tylko mniejsze prędkości obrotowe na biegu jałowym, ale także użytkować pojazd w zakresie niższych prędkości obrotowych w czasie jazdy. Szczególnie na wysokich biegach różnice te przy nowoczesnych dzisiejszych układach przeniesienia napędu, dzięki zastosowaniu koła dwumasowego, mogą dochodzić nawet do 500 obr./min. Daje to znaczące oszczędności w spalaniu paliwa.

Oczywiście wymiana fabrycznego zestawu z kołem dwumasowym na tak zwany zestaw czteroelementowy, wymagałaby zmian związanych z oprogramowaniem jednostki sterującej silnikiem, a przede wszystkim podniesienia obrotów biegu jałowego.

Zastosowanie jednoelementowego koła zamachowego skutkuje także szybszym zużyciem elementów w układzie przeniesienia napędu. Wpływa na spadek żywotności skrzyni biegów (szybsze zużycie synchronizatorów oraz innych elementów skrzyni biegów), większe drgania przenoszone na elementy zewnętrzne, powodujące pogorszenie komfortu. Może mieć wpływ nawet na takie elementy w układzie przeniesienia napędu jak przeguby napędowe czy łożyskowanie silnika i skrzyni biegów. Także w warsztacie trzeba się liczyć z możliwymi reklamacjami, zgłaszanymi przez klientów w związku z dużym prawdopodobieństwem wystąpienia pobocznych efektów zastosowania zestawu czteroelementowego. Mogą to być: dudnienie, terkot, hałasy w czasie jazdy, zwiększone wibracje czy możliwość hałasów na obrotach biegu jałowego. W związku ze zmianą na konwencjonalną tarczę sprzęgłową, zwiększa się siła wymagana do wysprzęglania na pedale sprzęgła, do tego dochodzi błędna interpretacja pojawiających się hałasów, sugerująca na przykład uszkodzone łożysko, a przede wszystkim ewidentny spadek komfortu.

Możliwe uszkodzenia po wymianie na czteroelementowy zestaw

W opinii specjalistów ZF, 4-elementowy zestaw sprzęgła ze sztywnym kołem zamachowym nie powinien być stosowany jako zamiennik za dwumasowe koło zamachowe. W przypadku, gdyby jednak miał miejsce wybór takiego rozwiązania, należy dokładnie zadbać o dostosowanie innych elementów pojazdu do pracy w takiej konfiguracji układu przeniesienia napędu, co jest działaniem kosztownym i skomplikowanym. Ograniczenie się jedynie do mechanicznej wymiany koła dwumasowego na jednomasowe (co teoretycznie jest rozwiązaniem tańszym) w wielu przypadkach generuje w przyszłości dodatkowe koszty związane z wcześniejszą wymianą sprzęgła, a nawet remontem lub wymianą całej skrzyni biegów.