Przekładnia główna

Dzisiejszy wpis będzie o technice motoryzacyjnej, a bardziej konkretnie o urządzeniu zwanemu przekładnią główną. To urządzenie jest spotykane w praktycznie każdym samochodzie z silnikiem spalinowym. Owa przekładnia stanowi część układu przeniesienia napędu, czyli bierze ona udział w przekazywaniu mocy od silnika do kół napędowych.

Autor: SMKA

Klasyczny samochód z napędem na tył

Powyższy rysunek przedstawia auto o klasycznym układzie napędowym, czyli: silnik z przodu i napęd na koła tylne. Jak widać, most napędowy zawiera urządzenie zwane przekładnią główną. Praktycznie zawsze ma ona przełożenie zwalniające: czyli stosunkowo małe koło zębate napędzające obraca się z większą prędkością obrotową względem większego koła zębatego napędzanego. Przełożenie zwalniające to multiplikacja momentu obrotowego. Typowy samochód ma mechanizm różnicowy przymocowany do koła napędzanego przekładni głównej.

Często przekładnia główna tylnonapędowego auta ma formę przekładni stożkowej. Aby zapewnić dużą trwałość przekładni i jej cichą pracę warto, aby przekładnia stożkowa miała zazębienie łukowe. Powszechnie stosowana jest również przekładnia hipoidalna: dzięki zastosowaniu przekładni hipoidalnej można obniżyć pozycję wału napędowego, a tym samym uzyskać obszerne wnętrze auta. Przekładnia hipoidalna może być również przydatna, aby uzyskać duży prześwit w samochodzie terenowym.

Istniały tylnonapędowe auta z przekładnią główną w formie przekładni ślimakowej. Tego typu rozwiązanie to choćby radziecka trzyosiowa ciężarówka ZiS-6 z lat 30. Również stare auta osobowe marki Peugeot miały ślimakową przekładnię główną (model 403 oraz 404). Sprawność przekładni ślimakowej jest gorsza niż przekładni stożkowej (0,92-0,96 względem 0,95-0,96). Dodatkowo sprawność przekładni ślimakowej spada nawet przy niewielkim zużyciu się przekładni. Przekładnia ślimakowa umożliwia uzyskanie niskiej pozycji wału napędowego, a tym samym obszernego wnętrza pojazdu. Tego typu przekładnia może również posłużyć do uzyskania wysokiej pozycji wału napędowego (duży prześwit w aucie terenowym).

Tutaj pewna uwaga terminologiczna: otóż w stożkowych i hipoidalnych przekładniach głównych, koło zębate napędzające zwane jest kołem atakującym. Natomiast koło zębate napędzane określane bywa mianem koło talerzowe.

Współczesne auta przednionapędowe

Jak pisałem, samochody tylnonapędowe mają przekładnię główną pod postacią przekładni stożkowe bądź hipoidalnej. Jest tak, ponieważ w typowym aucie tylnonapędowym, przekładnia główna pełni rolę przekładni kątowej. Jednak inaczej jest w typowym współczesnym aucie przednionapędowym. Otóż we współczesnej przednionapędówce, silnik najczęściej umieszczony jest poprzecznie. Czyli przekładnia główna nie musi być przekładnią kątową. Stąd też we współczesnych przednionapędówkach, przekładnia główna często ma formę przekładni walcowej. Zaleta przekładni walcowej to wysoka sprawność: 0,97-0,98.

Po co przekładnia główna?

Jak można zauważyć na rysunku, w typowym aucie moc najpierw trafia od silnika do skrzyni biegów (poprzez sprzęgło główne), a następnie zostaje przekazana do przekładni głównej. Ostatecznie moc trafia od przekładni głównej do kół napędowych poprzez półosie napędowe. Tutaj ktoś może zadać następujące pytanie: czy przekładnia główna jest czymś koniecznym? Przecież odpowiednią multiplikację momentu obrotowego można byłoby uzyskać poprzez odpowiednio dobrane przełożenia skrzyni biegów? Otóż wedle mojej wiedzy brak przekładni głównej byłby problematyczny, wymagałby bowiem skrzyni biegów o bardzo dużych przełożeniach. Duże przełożenia to duże wymiary napędzanych kół zębatych, a tym samym duże wymiary skrzyni biegów. Skrzynia biegów o dużych wymiarach może być problematyczna, jeśli chcieć ją wkomponować w samochód.

Wedle mojej wiedzy, w typowej osobówce przełożenie przekładni głównej wynosi około 3-6, natomiast w samochodzie ciężarowym 5-12. Czyli nawet w samochodzie osobowym przekładnia główna kilkukrotnie multiplikuje moment obrotowy. Przykładowo, w moim Citroenie BX przekładnia główna ma przełożenie 4,29.

Dwustopniowa przekładnia główna

Ukazane wcześniej przekładnie główne były jednostopniowe. Czyli mieliśmy do czynienia z dwoma kołami zębatymi. Jednostopniowa przekładnia główna to typowe rozwiązanie stosowane w autach osobowych. Jednak w samochodach ciężarowych stosowane bywa bardziej zaawansowane rozwiązanie: dwustopniowa przekładnia główna. Czyli najpierw moment obrotowy multiplikowany jest przez jedną parę kół zębatych, a następnie przez następną parę kół zębatych. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie trzeba w przekładni głównej wielgachnego napędzanego koła zębatego, aby uzyskać dużą multiplikację momentu obrotowego.

Nastawna przekładnia główna

Oprócz przekładni głównych, w których to nie można w żaden sposób zmienić przełożenia, istnieją również nastawne przekładnie główne. Nastawna przekładnia główna to taka, w której istnieje możliwość zmiany przełożenia. Można przyjąć, iż nastawna przekładnia główna działa niczym reduktor w samochodzie terenowym. Czyli jeśli chcemy zmienić przełożenie w układzie napędowym, zatrzymujemy pojazd, a następnie dokonujemy zmiany przełożenia.

Przyjrzymy się nastawnej przekładni głównej z rysunku powyżej. Najpierw moment obrotowy multiplikowany jest przez przekładnię stożkową: czyli niewielkie stożkowe koło zębate (zębnik) napędza znacznie większe stożkowe koło zębate (koło talerzowe). Obroty talerzowego koła zębatego powodują obracanie się wałka przymocowanego do owego koła. Na wspomnianym wałku mamy dwa walcowe koła zębate: mniejsze oraz większe. Przy pomocy sprzęgła kłowego możemy unieruchomić jedno z nich względem wałka: jeśli unieruchomimy względem wałka mniejsze koło zębate, przekładnia główna będzie miała większe przełożenie. Obydwa walcowe koła zębate umieszczone na wałku napędzają znacznie większe walcowe koła zębate: czyli mamy kolejną multiplikację momentu obrotowego. Ergo, owa przekładnia główna jest nie tylko nastawna, lecz również dwustopniowa.

Zwolnice

Typowy samochód osobowy ma multiplikację momentu obrotowego dokonywaną poprzez skrzynię biegów oraz przekładnię główną. Istnieją jednak również auta terenowe, gdzie stosowane bywa rozwiązanie określane mianem zwolnice. Czym są więc zwolnice? Otóż są to przekładnie umieszczone przy kołach napędowych, zwiększające moment obrotowy. Każde koło napędowe ma swoją własną zwolnicę. Mogą być one zbudowane zarówno jako zwykłe przekładnie walcowe, jak i jako przekładnie planetarne. Zwolnice w formie przekładni walcowych umożliwiają umieszczenie mostu napędowego ponad osią koła, a tym samym uzyskanie dużego prześwitu. Jest to zauważalna zaleta w aucie terenowym. Warto nadmienić, iż auta ze zwolnicami, nadal mają przekładnię główną: moment obrotowy najpierw jest multiplikowany przez przekładnię główną, a następnie przez zwolnice. Aby dowiedzieć się więcej o zwolnicach przy wykorzystaniu anglojęzycznej części internetu, warto znać następujący termin: portal axle. Portal axle to mniej więcej tyle, co most napędowy ze zwolnicami.

Szybkobieżne pojazdy gąsienicowe

Kiedyś mocno interesowałem się sprzętem wojskowym, w tym bronią pancerną. Stąd też odpowiem na następujące pytanie: czy czołgi mają przekładnię główną? Otóż zazwyczaj nie mają, aczkolwiek istnieją wyjątki od reguły. Ogólnie rzecz biorąc, czołgi i inne gąsienicowe wozy bojowe, mają przekładnie boczne. Czyli jedna przekładnia multiplikuje moment obrotowy dla gąsienicy lewej, druga dla gąsienicy prawej. Coś jak zwolnice stosowane w niektórych samochodach terenowych.

Multum czołgów, szczególnie takich o umiarkowanej masie, ma przekładnie boczne zbudowane w formie przekładni walcowych. Tak jest choćby w radzieckim drugowojennym czołgu średnim T-34 (masa wozu od 26 do 32 ton), gdzie przekładnia boczna to po prostu para walcowych kół zębatych oferująca przełożenie 5,7.

Czołgi o dużej masie miewają przekładnie boczne zrealizowane jako przekładnie planetarne, vide radziecki drugowojenny czołg ciężki IS-2 o masie 46 ton. Przekładnie boczne czołgu IS-2 są dwustopniowe: moment obrotowy najpierw multiplikowany jest przez parę walcowych kół zębatych, a dopiero następnie przez przekładnię planetarną. Przekładnie boczne czołgu IS-2 mają przełożenie 13,02.

Jak wcześniej pisałem, choć czołgi zazwyczaj nie mają przekładni głównej, to istnieją wyjątki od reguły. Otóż przynajmniej niektóre czołgi, wykorzystujące jakąś formę mechanizmu różnicowego jako mechanizm skrętu, mają przekładnię, którą to można by określić mianem przekładnia główna. Tak jest choćby w amerykańskich czołgach drugowojennych z mechanizmem skrętu Cletrac Differential (M3 Lee, M4 Sherman, M3/M5 Stuart). Na powyższym rysunku mamy mechanizm skrętu Cletrac Differential: kolorem żółtym zaznaczono koło talerzowe, czyli koło napędzane przekładni głównej (koła napędzającego nie ma na rysunku). Ważna uwaga: nawet czołgi mające przekładnię główną, nadal mają oprócz niej przekładnie boczne.

Warto nadmienić, iż lekkie szybkobieżne pojazdy gąsienicowe (tankietki) miewały układ napędowy zbudowany na bazie mostu napędowego pochodzącego z ciężarówki. Skoro most napędowy samochodu ciężarowego ma przekładnię główną, to i owe tankietki przekładnię główną posiadały. Oczywiście, tankietki wyposażone były również w przekładnie boczne.

Uwaga terminologiczna

Dzisiejszy wpis jest dobrym przyczynkiem do dyskusji odnośnie do różnic pomiędzy terminologią polską a terminologią anglojęzyczną. Otóż przekładnia główna samochodu zwie się z angielska final drive. Natomiast przekładnie boczne czołgu również zwą się z angielska final drive. Ot, polskie terminy nie są całkowicie kompatybilne z terminami anglojęzycznymi. Jest to zresztą jeden z powodów, dla którego książki zahaczające o technikę, powinny być tłumaczone przez ludzi o wiedzy technicznej.