Przekładnie manualne samochodów osobowych mają zwykle 5 lub 6 biegów, automatyczne często więcej. Rekordzistą jest Lexus, który w modelach LC 500 i LS 500 stosuje dziesięciobiegowy automat. Istnieją jednak przekładnie o... nieskończonej liczbie „biegów” – skrzynie bezstopniowe. Na jakiej zasadzie działają?

Zadaniem każdej skrzyni biegów jest umożliwienie silnikowi pracy w użytkowym zakresie obrotów przez zastosowanie odpowiedniego przełożenia. Podczas ruszania i jazdy z małą prędkością przełożenie musi być największe (co oznacza najniższy bieg), a przy dużych prędkościach – najmniejsze, aż po wartości mniejsze od 1 (tzw. overdrive).

W skrzyniach manualnych zmiana przełożenia realizowana jest przez przełączanie par kół zębatych o różnej liczbie zębów, a w klasycznych automatach przez przełączanie przekładni planetarnych o różnych przełożeniach. Rozwiązanie to ma swoje mankamenty. Przede wszystkim w chwili zmiany przełożeń silnik nie jest połączony z kołami i nie napędza pojazdu, co pogarsza przyspieszenie. Ponadto przy manualnej zmianie biegu konieczne jest dopasowanie obrotów silnika do nowego przełożenia, co wymaga pewnej wprawy (w nowocześniejszych autach może to robić komputer).

Wyeliminowanie tych problemów umożliwia przekładnia bezstopniowa, czyli taka, w której przełożenie można zmieniać w sposób płynny. Dzięki temu moc silnika może być przenoszona na koła bez przerwy, a dzięki odpowiedniemu sterowaniu zmianą przełożenia można utrzymać stałą, optymalną prędkość obrotową silnika; stąd angielska nazwa CVT, czyli Constant Velocity Transmission – przekładnia stałej prędkości.

W praktyce

Istnieje kilka sposobów realizacji przekładni bezstopniowej. Najczęściej wykorzystywany w pojazdach osobowych system CVT to szczególny rodzaj przekładni pasowej. Każde z jej dwóch kół pasowych składa się z połówek w postaci płaskich stożków, które można do siebie zbliżać lub oddalać i w ten sposób regulować głębokość, na jaką pas przekładni wchodzi między stożki – a zatem efektywną średnicę koła w punkcie jego styku z pasem. Zbliżając do siebie połówki jednego koła, a drugiego oddalając – lub odwrotnie – można płynnie zmieniać przełożenie. Za regulacje położenia połówek kół odpowiadają zwykle siłowniki hydrauliczne. Jak nietrudno się domyślić, pracą całości steruje komputer, który synchronizuje pracę przekładni i silnika z uwzględnieniem prędkości pojazdu, położenia pedału gazu itd.

Ze względu na to, że – zwłaszcza podczas dynamicznego ruszania i przyspieszania – przekładnia musi przenosić duży moment obrotowy, jej konstrukcja musi być odpowiednio solidna. Dotyczy to w szczególności pasa transmisyjnego, który ma postać stalowej taśmy z nakładkami w kształcie klinów, zapewniającymi odpowiedni kontakt z kołami pasowymi. Mimo to ostry styl jazdy powoduje duże obciążenia układu i może narazić przekładnię na przedwczesne zużycie.

Aby temu zaradzić, konstruktorzy koncernu Toyota wzbogacili klasyczną CVT o dodatkową przekładnię zębatą, która odciąża przekładnię pasową podczas ruszania i początkowej fazy przyspieszania. Nowa przekładnia Direct Shift-CVT, która znalazła już zastosowanie w zaprezentowanym właśnie w Genewie miejskim crossoverze Lexus UX, zapewnia płynność jazdy charakterystyczną dla CVT, a jednocześnie pozwala przy ruszaniu z miejsca uzyskać przyspieszenia takie, jak przekładnia manualna. Zastosowanie przekładni zębatej pozwoliło również rozszerzyć zakres pracy przekładni CVT w strefie wysokich przełożeń, a także, dzięki ograniczeniu obciążeń, zmniejszyć wymiary całego urządzenia.

Z prądem

Warto zauważyć, że funkcje przekładni bezstopniowej realizuje również układ złożony z przekładni planetarnej, silnika elektrycznego i generatora, stanowiący serce hybrydowych jednostek napędowych samochodów Toyoty i Lexusa. W układzie tym, zwanym e-CVT, przekładnia planetarna dokonuje podziału momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika spalinowego między koła pojazdu a generator, zaś silnik elektryczny zasilany z generatora i akumulatora trakcyjnego wspomaga moment obrotowy silnika spalinowego podczas dynamicznego ruszania i przyspieszania. Dodatkową korzyścią, której nie daje zwykła przekładnia CVT, jest odzyskiwanie energii przez układ hybrydowy podczas hamowania rekuperacyjnego, co walnie przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa.