Jak w zegarku – Motocyklowe skrzynie biegów

Gdyby napęd na tylne koło przekazywany był bezpośrednio z wału korbowego, to raczej nie zajechalibyśmy daleko. Problem mogłoby sprawić nawet samo ruszenie, nie wspominając już o osiąganiu sensownych prędkości czy podjazdach pod wzniesienia. By silnik sprawował się efektywnie jako źródło napędu, potrzebny jest mu multiplikator momentu obrotowego, czyli właśnie skrzynia biegów.

Skrzynią biegów można nazwać nawet zestaw przerzutek w rowerze, choć oczywiście konstrukcje stosowane w motocyklach mają zupełnie inną, bardziej złożoną i skomplikowaną budowę, bo i stawiane im wymagania są niemałe.

Jeden klik, szereg ruchów

Najpowszechniejszym rodzajem motocyklowych skrzyń biegów są skrzynie manualne o stałym zazębieniu, typu sekwencyjnego. Sekwencyjnego, czyli takiego, który umożliwia zmianę tylko jednego przełożenia w trakcie jednego ruchu dźwignią. Takie rozwiązanie ogranicza ryzyko „zbicia” kilku biegów na raz, a tym samym nadmiernego wzrostu obrotów, mogącego uszkodzić silnik. Wybranie tylko jednego biegu wymuszone jest przez konstrukcję mechanizmu sterującego. W momencie poruszenia stopą dźwigni zmiany biegów do pracy zaprzęgnięty jest wybierak, czyli zestaw dźwigienek, który porusza gwiazdą wybieraka, w której zagłębieniach blokują się owe dźwigienki. Po takim ruchu dźwignia zmiany biegów wraca do pierwotnego położenia. 

Ruch bębna prowadzi wodziki po rowkach, wodzik przesuwa tryb, ten zazębia się w sąsiednim kole i mamy zapięty bieg, można ruszać!

Wraz z ruchem gwiazdy wybieraka zmienia się także położenie wałka zmiany biegów, zwanego potocznie bębenkiem lub programatorem. W wałku wyfrezowane są rowki, które służą do przesuwania wodzików. Wodziki to natomiast elementy odpowiedzialne bezpośrednio za zmianę przełożenia. Poruszają one bowiem kołami przesuwnymi zamontowanymi na wielowypustach. Koła te pełnią również funkcję sprzęgła kłowego, czyli na swoich bokach mają wypusty.

W skrzyni znajdują się także koła zębate swobodnie obracające się na wałku. Wszystkie koła są oczywiście stale ze sobą zazębione, ale przekazanie napędu na wałek zdawczy i zębatkę zdawczą odbywa się dopiero w momencie, gdy sprzęgło kłowe zazębi się z wycięciami w kołach zębatych. Ta zasada działania obowiązuje w każdej manualnej skrzyni, ale nie znaczy to, że każda skrzynia jest taka sama. W zależności od przeznaczenia i jakości, różnice w szybkości działania i kulturze pracy potrafią być kolosalne.

Precyzja jest wskazana

Od zmiany przełożeń zależy znacznie więcej niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Szybkie i płynne realizowanie tego procesu to gwarancja nie tylko dobrego przyspieszenia, ale też stabilności motocykla. Każda zmiana biegu to bowiem chwilowa przerwa w dostawie napędu, a tym samym mniejszy efekt ciągnięcia łańcuchem i delikatne kompresowanie zawieszenia. Podczas turystycznej jazdy ma to niewielkie znaczenie, ale gdy w grę wchodzi tempo wyścigowe czy zmiana biegu w zakręcie, wtedy wpływ na prowadzenie jest znaczący. Dlatego też producenci starają się, by elementy skrzyni były jak najlżejsze i poruszały się między sobą po jak najkrótszej drodze. Jest to bowiem gwarancja zminimalizowania przerwy w dostawie siły napędowej na tylne koło. 

Produkcja skrzyń biegów to sztuka zegarmistrzowska. Od jakości i precyzji spasowania zależy każdy aspekt działania mechanizmu

Inną istotną dla inżynierów kwestią jest sprawienie, by biegi wchodziły czysto i bez oporu. To akurat można osiągnąć dość łatwo, zwiększając otwory, w które trafiają kły wałków przesuwnych. Niestety nie można z tym też przesadzić, bo wiąże się to z ryzykiem mocnych szarpnięć podczas nagłej zmiany obciążenia, czyli po prostu podczas gwałtownych przyspieszeń. Ogólnie rzecz biorąc, stworzenie dobrej skrzyni biegów to sztuka niemalże zegarmistrzowska. To, jak precyzyjnie będą ze sobą spasowane wszystkie tryby, ma wpływ na każdy aspekt działania mechanizmu. 

Dość rzadko stosowanym sposobem na zwiększenie kultury pracy jest użycie skośnych kół zębatych, które nie tylko pracują znacznie ciszej i lżej, ale też powodują dużo mniejsze szarpnięcia. Niestety takie konstrukcje są większe, cięższe, droższe w produkcji i mniej odporne na brutalne traktowanie. Z tego względu bardziej powszechne są mniejsze i głośniejsze mechanizmy o prostych zębach.

Walka o milisekundy

W kwestii przyspieszenia zmiany biegów i zwiększenia komfortu przełomowe okazało się zaprzęgnięcie elektroniki. Mowa tu o quickshifterze, który początkowo dostępny był tylko jako sportowa nowinka, a dziś oferowany jest w wielu popularnych segmentach motocykli. Jego magia polega na bardzo krótkim odcięciu zapłonu, przez co obroty między wałkami zaczynają się wyrównywać i zmiana przełożenia odbywa się bez konieczności wysprzęglenia. Co za tym idzie, przerwa w dostawie napędu jest zminimalizowana, zmiana biegu kilkukrotnie szybsza, a przyspieszenie i prowadzenie motocykla znacznie wydajniejsze.

Bez quckshiftera szybka zmiana biegu bez sprzęgła też jest możliwa – przy chwilowym przymknięciu przepustnicy – ale nie zawsze kierowcy uda się to zrobić na tyle sprawnie, by bieg wszedł gładko i szybko, a przy tym czynność ta nie skróciła życia całego mechanizmu. Quickshifter po prostu doprowadził ten proces do perfekcji, a wystarczył do tego tylko prosty czujnik przy dźwigni zmiany biegów, który wyczuwa jej ruch i wysyła do sterownika silnika informację o konieczności odcięcia zapłonu.

Głównym elementem quickshiftera jest czujnik przy cięgnie. Całość zapewnia błyskawiczną zmianę biegów bez użycia sprzęgła

Pod względem szybkości i precyzji działania prawdziwym majstersztykiem są jednak skrzynie w motocyklach z MotoGP. Nazywa się je Seamless Shift Transmission, co niestety trudno sensownie przetłumaczyć na język polski. Dokładna zasada ich pracy nie jest niestety znana nikomu poza ich konstruktorami. Zdradzono jedynie, że w dużym uproszczeniu działają jakby miały zapięte dwa biegi na raz i przełączenie ich trwa krótką chwilę. I to bardzo krótką, bo liczoną nawet nie w dziesiątkach milisekund.

Mało tego, w ich przypadku odcinanie zapłonu czy wysprzęglanie nie jest konieczne. Dzięki temu przerwa w napędzaniu tylnego koła jest dla kierowcy i motocykla dosłownie nieodczuwalna. Co ciekawe, w takiej skrzyni nie da się wybrać biegu jałowego za pośrednictwem nożnej dźwigni, służy do tego osobna dźwignia na kierownicy. Ma to za zadanie wyeliminowanie ryzyka przypadkowego włączenia luzu i jednocześnie skrócenie przełożenia z pierwszego na drugi bieg. A co za tym idzie, ułatwienie sprawnego przyspieszania na starcie.

Imponujące dwa sprzęgła

Na to, że skrzynia seamless trafi do motocykli cywilnych, raczej nie ma co liczyć, bo to niesamowicie drogie i krótkotrwałe rozwiązanie sprawdzające się tylko w sporcie. Ale nie znaczy to, że płynna zmiana biegów w mgnieniu oka jest nie dla nas. Oczywiście, że jest! Mało tego, płynna zmiana biegów może się odbywać bez naszego udziału. Choć w przeważającej liczbie motocykli kierowca zmuszony jest wachlować lewą stopą, to w niektórych modelach sprawę może za nas załatwić automat. I wcale nie chodzi tu o montowane w skuterach skrzynie CVT, którym poświęciłem osobny artykuł (znajdziecie go na www.swiatmotocykli.pl lub w numerze 11/2019). W motocyklach montuje się bowiem skrzynie zautomatyzowane. 

Współczesne skrzynie biegów najczęściej mają formę kasety wkładanej w blok silnika. Znacząco ułatwia to ich serwisowanie i tuning

Pierwsze poważne podejście do takiego mechanizmu wykonała Yamaha w modelu FJR 1300 AS. W tej wersji zmiana biegów była obsługiwana półautomatycznie przez serwomechanizmy. Warto jednak zaznaczyć, że była to klasyczna, manualna skrzynia biegów, tylko jej sterowanie odbywało się elektronicznie i było obsługiwane poprzez przyciski na kierownicy lub konwencjonalną dźwignię nożną. Było to na tyle dużym ułatwieniem, że nie wymuszało używania sprzęgła czy wyrównywania obrotów. System ten, nazwany YCC-S (Yamaha Chip Controlled Shift), nie znalazł naśladowców. Po pierwsze, quickshifter okazał się tańszy, mniej skomplikowany i szybszy, a po drugie, za sprawą pomysłów Hondy, automatyzacja skrzyń poszła w bardziej perspektywistycznym kierunku. 

W 2009 roku pod szyldem wielkiego skrzydła pokazano nowatorską, zautomatyzowaną, dwusprzęgłową skrzynię DCT (Dual Clutch Transmission), której korzenie sięgają lat 70. i projektu Hondamatic. Jej innowacyjność polega na użyciu dwóch kompletów sprzęgła zamontowanych współosiowo na dwóch wałkach, jeden w drugim. Dzięki temu zmiana przełożenia zajmuje tylko tyle, ile rozłączenie jednego sprzęgła i załączenie drugiego. Czas trwania takiego procesu to jedynie kilka-kilkanaście milisekund, co w przypadku dobrej manualnej skrzyni biegów i wprawionego kierowcy trwa ok. 200 milisekund.

Dzisiejsze konstrukcje są bardzo kompaktowe i lekkie, a przy tym wytrzymałe

Magia DCT tkwi w tym, że biegi parzyste i nieparzyste są obsługiwane przez osobne sprzęgła. Dzięki temu bieg na wałku aktualnie rozłączonego sprzęgła może już zostać wpięty i przygotowany do przenoszenia napędu. Oczywiście nie każdemu motocykliście odpowiada wykonywanie pracy za niego, ale trzeba przyznać, że pod względem komfortu użytkowania i szybkości działania trudno nie docenić DCT. Zwłaszcza że w tej technologii komputer wcale nie musi decydować za nas, jakie przełożenie dobrać. Można tym sterować ręcznie za pomocą przycisków na kierownicy, nic też nie stoi na przeszkodzie, by obsługę realizować poprzez klasyczną dźwignię nożną.

Skrzynie DCT obecnie dorobiły się już trzeciej generacji i przez ten czas pokazywały, że mają ogromny potencjał rozwojowy. Skomplikowanie konstrukcji jest niewiele większe względem konwencjonalnych technologii, a przy tym wytrzymałość obu jest na tym samym poziomie. DCT jest do tego jedynie odrobinę cięższa. Warto jednak pamiętać, że do tej pory była stosowana tylko w motocyklach turystycznych, więc ekstremalna redukcja jej masy nie była priorytetem konstruktorów. 

Jest dobrze, a może być lepiej

Być może gdyby pojawiła się koncepcja zaadaptowania DCT do sportowych maszyn, jej masa mogłaby zostać znacznie obniżona. A trzeba przyznać, że dwusprzęgłówka ze swoim błyskawicznym i płynnym działaniem mogłaby się tutaj sprawdzić. Na razie jednak nie znajduje ona zastosowania w sporcie ze względu na regulamin FIM, jasno określający, że motocykle muszą mieć manualne skrzynie biegów. Ale kto wie, być może kiedyś się to zmieni i podobnie jak w samochodach, tak i w motocyklach sportowych dwusprzęgłowa skrzynia biegów stanie się standardem i pozwoli na sprawniejsze wykorzystanie osiągów silnika.

Skrzynia DCT działa dużo szybciej i płynniej, nie jest też przesadnie skomplikowana

Na razie jednak pozycja mechanicznych skrzyń biegów jest niezagrożona, bowiem są to już naprawdę dopracowane mechanizmy. Producenci przykładają naprawdę ogromną uwagę do sprawności ich działania, przez co dziś naprawdę rzadko spotyka się konstrukcje awaryjne czy działające wolno. Istotnym aspektem jest tutaj rosnąca precyzja wykonania. A rozwój wiedzy o materiałach i postęp w dziedzinie ich obróbki sprawia, że może być tylko lepiej!

Tekst: Tomasz Niewiadomski     Zdjęcia: BMW, Honda, archiwum redakcji