Dlaczego liczba biegów stale rośnie?

Liczba przełożeń sięgająca dziesięciu utrzymuje silnik w najbardziej efektywnym zakresie obrotów, zwiększając zarówno moment obrotowy, jak i obniżając zużycie paliwa.
Liczba przełożeń sięgająca dziesięciu utrzymuje silnik w najbardziej efektywnym zakresie obrotów, zwiększając zarówno moment obrotowy, jak i obniżając zużycie paliwa.

Udostępnij tę stronę

Liczba biegów rośnie, aby silnik mógł utrzymywać się w wąskim zakresie obrotów, w którym wytwarza moc i moment obrotowy najwydajniej: Przełożenia skracające się w kierunku pierwszego biegu zwielokrotniają moment obrotowy przy ruszaniu, natomiast przełożenia wydłużające się w kierunku wyższych biegów obniżają obroty silnika i zużycie paliwa przy prędkościach autostradowych. W latach 90. typowe samochody miały przełożenia 3-5, natomiast w ciągu ostatnich dwóch lat modelowych liczba ta osiągnęła co najmniej 6, a w niektórych modelach nawet 10.

Wyróżnione

  • 8-biegowa automatyczna skrzynia ZF oferuje o 21-24% lepszą ekonomię paliwową niż 3-biegowy automat.
  • W modelu 2017 Ford F-150 przejście z 6 na 10 biegów skróciło czas 0-60 mph o 0,2 sekundy.
  • Od roku modelowego 2016 automatyczne skrzynie biegów prześcignęły manualne pod względem efektywności paliwowej.
  • Inżynierowie Forda i GM przyznają, że 10 biegów to górna użyteczna granica.

Dlaczego liczba biegów rośnie? Efektywny zakres obrotów silnika

Şanzımanın tek görevi, motoru hem en güçlü hem en az yakıt tükettiği o dar devir aralığında tutmak; vites sayısı arttıkça motor bu ideal bölgede daha çok vakit geçirir.

Wyobraź sobie mapę pracy silnika spalinowego. Niezależnie od tego, czy to benzynowy, czy dieslowski, silnik ma względnie wąski zakres obrotów (RPM), w którym wytwarza najwyższą moc i moment obrotowy, zużywając przy tym najmniej paliwa. Zadaniem skrzyni biegów jest dokładnie to: Utrzymanie prędkości obrotowej dochodzącej do koła w tym idealnym obszarze pracy silnika. Im większa liczba biegów, tym częściej silnik pracuje w tym optymalnym zakresie; każdy bieg oferuje precyzyjniej dobrane przełożenie, aby utrzymać obroty silnika.

W pojeździe z małą liczbą biegów silnik musi natomiast zadowolić się biegiem najbliższym aktualnej prędkości. Efektem jest praca na wyższych obrotach niż wymagane. Wysokie obroty oznaczają więcej paliwa w jednostce czasu, a silnik jest przy tym bardziej eksploatowany. Jeśli zbudujemy prosty łańcuch logiki: Więcej obrotów oznacza większy wysiłek silnika, więcej spalonego paliwa, więcej naprężeń i zużycia. Odwrócenie tego łańcucha to podstawowa siła napędowa wyścigu biegów.

Role niskich biegów i biegów wyższych są całkowicie różne. Krótko przełożony pierwszy bieg, zwielokrotniając moment obrotowy na kole, umożliwia ruszanie i podjeżdżanie pod wzniesienia. Długo przełożone biegi overdrive obniżają obroty silnika przy prędkościach autostradowych, zmniejszając zarówno zużycie paliwa, jak i hałas słyszalny w kabinie. Problem polega na tym: Im więcej przełożeń pośrednich wciśniesz między te dwa skrajne punkty, tym mniej spada moc silnika i tym dłużej pozostaje on wydajny.

Rozrzut przełożeń: Inżynierska logika 10-biegowej skrzyni

Gdy liczba biegów rośnie, nie tylko przybywa kroków pośrednich; całkowity zakres przełożeń, czyli ratio spread, również może się poszerzać. We współczesnych 10-biegowych skrzyniach pierwszy bieg ma znacznie krótsze przełożenie do agresywnego ruszania, podczas gdy najwyższy bieg jest znacznie dłuższy niż kiedyś dla jazdy z niskimi obrotami. Kroki pomiędzy pozostają małe. Duże przełożenie liczbowe przy ruszaniu, długi bieg wyższy w czasie jazdy: Żądanie od tej samej skrzyni zarówno osiągów, jak i efektywności to już nie sprzeczność, lecz cel projektowy.

Zacieśnianie kroków ma także drugą zaletę: Zmniejszają się zakłócenia przy zmianie biegów. Gdy obroty silnika między dwoma biegami spadną zbyt mocno, przełożenie jest odczuwalne, a przyspieszenie zostaje przerwane. Im węższe stopnie, tym to przejście staje się zarówno łagodniejsze, jak i szybsze; współczesne 8-10-biegowe skrzynie automatyczne dzięki szybkim zmianom sprzęgieł i inteligentnemu oprogramowaniu sterującemu potrafią przeskoczyć od razu o cztery-pięć biegów. Na przykład komputer sterujący 10-biegowej skrzyni opracowanej wspólnie przez Forda i GM zawiera ponad milion linii kodu - ponad dwukrotnie więcej niż poprzednia 6-biegowa - i może wykonywać nagłe redukcje w zależności od ruchu pedału gazu.

Co zmieniło się w liczbach?

Konkretne przykłady pozwalają mierzalnie ocenić wpływ liczby biegów. Model Ford F-150 z 2017 roku z 10-biegową skrzynią uzyskał o 1 mpg lepszą ekonomię paliwową w mieście i na autostradzie, a wersja 4x4 o 2 mpg w porównaniu z wersją z 6-biegową skrzynią z poprzedniego roku; czas przyspieszenia 0-60 mph skrócił się o 0,2 sekundy. W tym samym roku modelowym wersje holownicze osiągnęły moc 375 hp, moment obrotowy 470 lb-ft i zdolność holowania 12 200 funtów. Podobny obraz panuje po stronie sedanów: w modelu Chevrolet Malibu z 2017 roku przejście z 8 biegów na 9 zwiększyło efektywność paliwową o około %3.

Dane opublikowane przez ZF w 2012 roku pokazują, jak dramatyczna może być relacja między liczbą biegów a zużyciem paliwa: 8-biegowy automat obiecuje poprawę o %21-24 w porównaniu z 3-biegowym automatem; w porównaniu z 6 biegami oszczędność wynosi około %11, a w porównaniu z 5 biegami %14. ZF 9-biegowa celuje w poprawę sięgającą %16 w porównaniu z 6 biegami. Wartości z kart technicznych ZF 8HP idą w tym samym kierunku: o %12 niższe zużycie w porównaniu z 6-biegową 6HP i o %14 w porównaniu z 5-biegową. Z perspektywy inżyniera te liczby nie są przypadkiem, lecz bezpośrednią matematyką szerokości stopni przełożeń.

Skrzynia biegów Porównanie Poprawa ekonomii paliwowej
ZF 8-biegowa wobec 3-biegowej %21-24
ZF 8-biegowa wobec 5-biegowej %14
ZF 8-biegowa wobec 6-biegowej %11
ZF 9-biegowa wobec 6-biegowej do %16
GM 9-biegowa wobec poprzedniej 8-biegowej (Malibu) %3

Cena wielu biegów: złożoność, waga i koszt

Każdy dodatkowy bieg oznacza dodatkowe elementy sprzęgłowe, bardziej złożone komponenty korpusu zaworów i większą kontrolę komputerową. Więcej ruchomych części nieuchronnie oznacza większy potencjał problemów mechanicznych i droższą jednostkę skrzyni biegów. GM zainwestowała 323 miliony dolarów w zakład skrzyń wielobiegowych w Romulus w stanie Michigan; kwota ta jest miarą tego, jak poważną inwestycję przemysłową wymagają wielobiegowe automatyczne skrzynie biegów.

W centrum debaty pozostaje również waga. Krytyczne spojrzenie brzmi tak: waga jest wrogiem osiągów; zamiast dodawać więcej biegów, producenci powinni szukać sposobów na odchudzanie pojazdów. Ta krytyka nie jest bezpodstawna, ponieważ każdy zysk jest okupiony złożonością mechaniczną. Z drugiej strony nieuniknione są również malejące zwroty: choć poza 8 i 9 biegami wciąż można dostrzec korzyści, przy przejściu na 11-12 biegów wchodzą w grę malejące zwroty prowadzące do problemów architektonicznych. Zespoły inżynieryjne Forda i GM widzą w 10 biegach punkt słodki tej krzywej korzyści.

Jest też kwestia ciągłości. 10 biegów to nie optymalne rozwiązanie dla każdego pojazdu; uważa się, że w zależności od rynków regionalnych skrzynie 6-biegowe będą utrzymywać się na powierzchni jeszcze długo. GM po swojej stronie szacuje, że 9-biegową skrzynią przeznaczoną dla modeli z napędem na przednie koła będzie w stanie wspólnie obsłużyć rynek premium z dużą liczbą biegów i podkreśla, że obie skrzynie zaprojektowano jako szczelne przez całe życie, wolne od obsługi jednostki.

8 biegów czy 10 biegów? Alternatywne rozwiązanie dla rozpiętości przełożeń

10 biegów to nie jedyna perspektywa sporu. Szkoła ZF broni 8-biegowej skrzyni o szerszej rozpiętości przełożeń zamiast wąskich skoków, a 8HP cieszy się szerokim uznaniem jako jednostka wystarczająco szybka i dopracowana, by służyć zarówno samochodom sportowym, jak i luksusowym sedanom. Praktyczne porównanie to potwierdza: w porównaniu wersji 8- i 10-biegowych przeprowadzonym na Chevrolet Silverado Z71 z 2020 roku nie stwierdzono wyraźnej przewagi wersji 10-biegowej nad 8-biegową; szeroka rozpiętość przełożeń ZF robiła swoją robotę.

Wniosek z tego jest taki, że ważniejsza od samej liczby biegów jest rozpiętość przełożeń i wąskość skoków. 10 biegów wysuwa się na czoło jako mocny wybór szczególnie w scenariuszach holowania i przewożenia ciężkich ładunków; dla lekkich pojazdów i codziennego użytku dobrze dostrojone 6-8 biegów często wystarcza. Formuła "im więcej biegów, tym lepiej" rzadko sprawdza się w świecie inżynierii.

CVT i DCT: Alternatywy dla liczby biegów

Automaty o wielu biegach to nie jedyna droga. CVT, dzięki paskowi i kołom pasowym oferując nieskończoną liczbę przełożeń, może utrzymać silnik w punkcie słodkim wydajności całkowicie bez zmiany biegów; w większości przypadków zapewnia lepszą ekonomię paliwa niż klasyczny automat. W zamian charakter jazdy wynikający z konstrukcji paskowo-pasowej nie każdemu przypadnie do gustu, a w zastosowaniach o wysokim momencie obrotowym pojawia się pytanie o trwałość. Skrzynie dwusprzęgłowe (DCT) oferują zasadną drogę nie tylko dla pojazdów nastawionych na osiągi, ale także dla modeli chcących zbalansować szybkość z wydajnością.

Ciekawy punkt zwrotny to historyczna przewaga automatów nad skrzyniami manualnymi: od roku modelowego 2016 skrzynie automatyczne prześcignęły skrzynie manualne pod względem efektywności paliwowej, a przynajmniej jej dorównały. Jeszcze dekadę wcześniej założenie "manual spala mniej" było zasadne w niemal każdej klasie, ale częste przełożenia automatów o wielu biegach odwróciły tę równość. Głównym celem tego wyścigu nie były osiągi, lecz wydajność; oczywiste jest, że siłą napędową tego trendu były amerykańskie korporacyjne standardy średniej ekonomii paliwa (CAFE). Wzrost osiągów natomiast przyszedł jako produkt uboczny krótkiego pierwszego biegu i szybkich zmian.

Dlaczego samochody elektryczne nie liczą biegów?

Silniki elektryczne mają cechę, która unieważnia całą tę dyskusję: wytwarzają niemal stały moment obrotowy od zera aż do maksymalnych obrotów. Nie trzeba szukać wąskiego zakresu obrotów zwanych "użytecznym"; silnik pokazuje niemal jednakowy charakter w każdym punkcie pracy. Dlatego pojazdy elektryczne wystarczają przy jednobiegowej przekładni. Wzrost liczby biegów był rozwiązaniem problemu wąskiego zakresu sprawności silnika spalinowego; gdy wąski zakres sprawności znika, potrzeba mnożenia przełożeń również znika. Porównanie z dźwignią również jest pouczające: w rowerach siła ludzkich mięśni jest wytwarzana w bardzo wąskim zakresie, dlatego potrzebnych jest 18 a nawet więcej przełożeń; w ciężarówkach również można znaleźć 18 biegów ze względu na ciężkie ładunki. Liczba biegów zamyka lukę między charakterem silnika a zadaniem pojazdu.

Ile biegów wystarczy? Rosnące przełożenia

Jaka jest więc liczba idealna? Nie ma jasnej i mierzalnej odpowiedzi, ale granice są znane. W słabych i lekkich pojazdach 5 biegów może nadal wystarczać, zarówno pod względem kosztów produkcji, jak i potencjału osiągowego pojazdu. Dla ciężkich ciężarówek 18 biegów jest sensowne, ponieważ różnica potrzebnych przełożeń między stanem załadowanym i pustym jest przepaścią. W samochodach osobowych 6-8 biegów pokrywa większość scenariuszy; 10 biegów ma sens w pojazdach z dużymi silnikami, które jednocześnie celują w holowanie pełnego obciążenia, szybkie przyspieszanie i niskie spalanie w trasie. Po stronie producentów Ford i GM uważają 10 biegów za punkt optymalny, natomiast pogląd przeciwny uważa ciężar i złożoność dużej liczby biegów za zbędne. Obie strony mają częściowo rację: Właściwa odpowiedź zależy od zadania pojazdu, a każdy dodatkowy bieg musi być uzasadniony oszczędnością paliwa. W przeciwnym razie liczba biegów staje się cechą, która dobrze wygląda w broszurach, ale kosztownie mści się na drodze.

Źródła