Napęd wałem. Czy na pewno najlepszy?

Napęd tylnego koła w motocyklu w większości przypadków odbywa się za pomocą łańcucha i zestawu zębatek. Rozwiązanie to ma wiele zalet – łańcuch jest lekki, generuje niewielkie opory pracy, a na dodatek daje sobie radę z nawet najmocniejszymi silnikami. Są także wady – łańcuch wymaga systematycznej konserwacji i szybko się zużywa. Owszem, pojawiły się konstrukcje wymagające mniej uwagi (łańcuchy stosowane w sportowych motocyklach BMW), ale nadal nie można mówić o „bezobsługowości”.

Rozwiązaniem alternatywnym dla łańcucha jest pas napędowy. Taką konstrukcję spotkamy w większości motocykli marki Harley-Davidson, a także w konstrukcjach innych producentów. Europejskim przedstawicielem będzie tutaj Ducati XDiavel. Pas ma swoje zalety – nie trzeba go naciągać tak często jak łańcucha, ma też większą żywotność. To w sumie koniec mocnych stron tego rozwiązania. Pas zabiera więcej mocy niż łańcuch, a ewentualna wymiana jest droższa niż w przypadku łańcucha. Jeśli doliczymy do tego koła zębate, które również się zużywają, to wychodzi na to, że pod kątem ekonomicznym to rozwiązanie nie jest opłacalne. Problemem jest również rozciąganie pasa przy zmianie obciążenia, co praktycznie całkowicie wykluczyło go z motocykli sportowych. Wyjątkiem był Buell, ale w tych sprzętach wszystko stało na głowie, wliczając w to odwrotnie instalowane tarcze hamulcowe i kilka innych nietypowych rozwiązań.

Paralever BMW to jeden z najbardziej rozpoznawalnych układów przeniesienia napędu wałem. Konstrukcja ta sprawdziła się w wielu modelach, ale jest wizytówką bokserów serii GS

Lekarstwem na całe zło zdaje się być układ przeniesienia napędu wykorzystujący wał napędowy. Odpada konieczność smarowania i czyszczenia, a trwałość konstrukcji w założeniu ma być równa długości życia całego motocykla. Serwis ogranicza się do okresowej wymiany oleju w przekładni kątowej, chociaż i to nie jest wymagane we wszystkich konstrukcjach. Rozwiązanie idealne? Niestety nie – napęd wałem jest droższy w produkcji, cięższy, a na dodatek odbiera silnikowi dużo więcej mocy niż inne napędy. Mimo to wielu motocyklistów nie wyobraża sobie rezygnacji z tego rozwiązania. Poznajmy zatem jego konstrukcję.

Kto to ten Cardano?

Gerolamo Cardano był XVI-wiecznym lekarzem, matematykiem i wynalazcą z Włoch, któremu przypisuje się wynalezienie przegubu krzyżakowego zwanego od jego nazwiska przegubem Cardana. Formalnie podzespół ten powinniśmy nazwać sprzęgłem nierozłącznym, mechanicznym, samonastawnym, kątowym. Oczywiście zwyczajowa nazwa „przegub Cardana” jest jak najbardziej prawidłowa, ale musimy pamiętać, że jest to tylko niewielki element układu przeniesienia napędu. Oprócz wspomnianego przegubu obejmuje on również dwa odcinki wału – wejściowy i wyjściowy (zwane także czynnym i biernym). Do tego mamy przekładnię kątową, która zmienia przełożenie główne, a także pozwala przenieść napęd z wału na koło. Wszelkie słowne wydumki, takie jak „wał Cardana” czy „napęd kardanem” (pisownia zamierzona), są nieprawidłowe. 

CARC Moto Guzzi działa podobnie jak Paralever BMW, ale wahliwe jest tylko wnętrze przekładni kątowej. Obudowa wygląda tradycyjnie, ale tak nie jest

Siły nie zawsze przyjazne

Pamiętam moją Hondę CB 650 Nighthawk – napęd wałem w tym motocyklu był koszmarny. Motocykl miał potężną reakcję na zmianę obciążenia – przy dodaniu gazu tył unosił się, a przy ujęciu gwałtownie nurkował. Jak to możliwe, skoro teoretycznie powinno być odwrotnie i w czasie przyspieszania tył powinien być dociążony? 

Niestety jedno nie wyklucza drugiego. W niektórych motocyklach napędzanych wałem spotkamy taką reakcję. Wynika to z dwóch czynników – pierwszym jest przekazanie sił z wału na talerzowe koło umieszczone wewnątrz przekładni kątowej. Nacisk na zęby przekładni skierowany jest ku dołowi, a jednocześnie działa w odwrotnym kierunku na wahacz. To z kolei powoduje unoszenie się tyłu motocykla. Zjawisko to spotykane jest także w przypadku napędu łańcuchem, ale w czasie jazdy skutecznie rekompensuje je przysiadanie zawieszenia wynikające ze zmiany obciążenia. Dlaczego więc w przypadku napędu wałem nie dzieje się tak samo?

Tetra-lever Kawasaki działa podobnie jak Paralever BMW. Opiera się na układzie wielodrążkowym, równoległym

Uporczywe pulsowanie

W tym miejscu dochodzimy do pulsowania wału łączonego przegubem Cardana. Załóżmy, że wałek wejściowy (będący wyjściem ze skrzyni biegów) obraca się jednostajnie. Przy równoległym ustawieniu wałków połączonych przegubem Cardana obie strony obracają się liniowo. Wystarczy jednak, by przegub pracował pod pewnym kątem, a wałek wyjściowy zaczyna obracać się skokowo. Chwilami zwalnia, by w pewnym momencie gwałtownie przyspieszyć, a przyspieszenie jest mocniejsze i intensywniejsze niż chwile spowolnienia. 

Powoduje to naprężenia, które oznaczają większe obciążenie elementów układu, a także wyczuwalne utwardzenie tylnego zawieszenia. O ile w przypadku napędu średniowiecznych maszyn pędzonych wołami nie ma to większego znaczenia, to w konstrukcji obracającej się kilka tysięcy razy na minutę robi się niezłe zamieszanie. Co ważne, im większa moc, tym efekt jest mocniej odczuwalny. To samo tyczy się kąta, pod jakim pracuje przegub Cardana. Im jest on większy, tym bardziej odczujemy efekt wspomnianego zjawiska. Przy puszczeniu gazu dochodzi do odwrotnej sytuacji – tył przysiada.

Przekładnia kątowa w większości przypadków wymaga tylko okresowej wymiany oleju. Jest to cecha sprawiająca, żen napęd wałem jest uwielbiany przez mototurystów

1+1 = 0?

Oczywiście matematyki nie da się oszukać, ale w odniesieniu do napędu wałem owo równanie jest prawidłowe. Jeśli dodamy drugi przegub (po przeciwnej stronie) i odpowiednio go ustawimy, na wyjściu otrzymamy… ruch liniowy! Warunkiem jest to, by drugie sprzęgło było lustrzanym odbiciem pierwszego i by kąt, pod jakim pracuje przegub, był identyczny. 

Droga od teorii do praktyki okazała się stosunkowo prosta. Inżynierowie zbudowali układ wielodrążkowy, równoległoboczny, w którym przekładnia kątowa zawsze ustawiona jest pod tym samym kątem względem silnika. 

Poprzez odpowiednią konfigurację geometrii całego układu udaje się uzyskać konstrukcję praktycznie pozbawioną wad znanych ze starszych motocykli. Przykładem takich rozwiązań może być Paralever BMW, CARC Moto Guzzi, Tetra-Lever Kawasaki czy układ stosowany w najnowszym Triumphie Tigerze 1200. Rozwiązania te różnią się detalami, ale zasada ich działania oparta jest na podobnych mechanizmach. BMW chwali się, że Paralever działa tak, jakby klasyczny wał (a zarazem wahacz) miał długość prawie półtora metra. Nie dziwi więc, że reakcje na dodanie czy puszczenie gazu w codziennej jeździe są praktycznie niewyczuwalne. 

Triumph Tiger 1200 ma tak dobraną geometrię, by praktycznie całkowicie wyeliminować wpływ napędu wałem na pracę zawieszenia

Inne pomysły

Nie wszystkie współczesne konstrukcje są oparte na układzie wielodrążkowym, równoległobocznym. Niektóre modele Yamahy mają bardzo długi wahacz i odpowiednio dobraną geometrię zawieszenia. Pozwala to zminimalizować wpływ napędu wałem na pracę zawieszenia nawet w motocyklu tak mocnym jak Yamaha VMAX.  Dość powiedzieć, że wahacz pierwszego VMax’a miał 487 mm, a nowszej wersji aż 662,5 mm.

Jeszcze inny pomysł miała Honda w modelu VFR 1200 F/X. W tych motocyklach zastosowano długi wahacz o nietypowej konstrukcji. Jego oś obrotu jest umieszczona kilka centymetrów wyżej niż wyjście wału napędowego z silnika. Powoduje to inne rozłożenie sił, a przez to zminimalizowanie wpływu napędu na pracę zawieszenia. Co ciekawe, od strony przekładni kątowej zastosowano przegub homokinetyczny pozwalający płynnie zmieniać długość wału zależnie od pracy zawieszenia. 

Yamaha XJ 900 to przykład prostej konstrukcji – wał prowadzony jest we wnętrzu sztywnej rury połączonej z przekładnią kątową

Honda VFR 1200 F/X wykorzystuje różnice w umiejscowieniu wału względem osi wahacza i przegub homokinetyczny od strony przekładni kątowej

Trwałość na lata?

Jedną z podstawowych zalet napędu przekazywanego wałem jest bardzo duża trwałość tego rozwiązania. Zazwyczaj, jeśli nie dojdzie do zbiegu nieszczęśliwych wypadków (zalanie, wycieki oleju, brak serwisu itp.), konstrukcja ta może wytrzymać tyle co cały motocykl. W większości przypadków konieczna jest tylko okresowa wymiana oleju w przekładni kątowej i… o dalszej obsłudze możemy zapomnieć. 

To tyle, jeśli chodzi o teorię. Praktyka, szczególnie w przypadku najnowszych, bardzo mocnych motocykli, pokazuje nieco inny obraz. Układ przeniesienia napędu nie zawsze jest tak prymitywny jak w najstarszych cruiserach czy turystykach pokroju Hondy NT 650V Deauville. A i w tych konstrukcjach zdarzają się uszkodzenia krzyżaków albo wieloklina łączącego przekładnię kątową z kołem (dlatego zaleca się smarowanie tego miejsca przy każdym zdjęciu koła). Bardziej skomplikowane konstrukcje mają wiele łożysk, które również prędzej czy później mogą ulec uszkodzeniu. Dużo zależy od eksploatacji, o czym doskonale wiedzą właściciele bokserów serii BMW GS, którzy lubią topić swoje maszyny po osie w błocie. Dopiero od pewnego czasu niemiecki producent instaluje specjalny zawór drenażowy umożliwiający usunięcie zalegającej wody. Uszkodzone wały wymieniane są na gwarancji w ramach ogólnoświatowej akcji serwisowej. 

Dlatego, pomimo teoretycznie małych wymagań odnośnie do serwisu, warto traktować przeniesienie napędu wałem z pewnym rozsądkiem. Przy okazji większego serwisu dobrze jest sprawdzić krzyżaki i łożyska, przesmarować wielokliny, upewnić się, że uszczelniacze nie przepuszczają oleju, a na łożyskach nie pojawiły się luzy. W takim przypadku mamy ogromne szanse na potwierdzenie dobrych opinii na temat przeniesienia napędu na tylne koło za pośrednictwem wału. Jest to rozwiązanie egzotyczne, ale wielu producentów na pewno z niego nie zrezygnuje, gdyż jest ich wizytówką i powodem do dumy.