Łańcuch, wał czy pas transmisyjny? Zalety oraz wady każdego rozwiązania

Wcale nie dziwi mnie fakt, że nie zaprzątamy sobie głowy przeniesieniem napędu. W końcu nie jest to tak ekscytujący element jak właśnie silnik czy zawieszenie. Niemniej nie można powiedzieć, że napęd nie jest wart uwagi. Przyglądając się bliżej, dostrzegamy, że oprócz przeniesienia momentu obrotowego na tylne koło, ma także wpływ na zachowanie np. zawieszenia, a co za tym idzie na prowadzenie całego motocykla. Jednak na początku motocyklizmu, niespecjalnie się tym przejmowano i to nie tylko ze względu na brak zawieszenia. Konstruktorzy przede wszystkim główkowali jak w ogóle przenieść napęd. Pomysłów było wiele, jak np. wieszanie silnika przy kole lub nawet zespolenie tych elementów jak np. w Megoli z 1921 roku z sześciocylindrowym silnikiem gwiazdowym w przedniej feldze. Nie zdobyły jednak popularności, bo już na początku XX wieku, standardem konstrukcyjnym szybko zostało montowanie silników w dolnym węźle ramy. To zakończyło większość kombinacji, ale nie narzuciło konkretnego standardu co do przekazywania momentu obrotowego na koło.

Na początku wydawało się, że to skórzany pas będzie rozwiązaniem dominującym, zwłaszcza gdy w 1902 r. zaczęto wytwarzać go ze skórzanych ogniw połączonych metalowymi nitami ograniczającymi ślizganie się po kole pasowym. Rok później w motocyklach FN pojawił się wał napędowy, któremu wróżono świetlaną przyszłość, ale przyjął się tylko w mocnych motocyklach z wyższej półki. Na łańcuch rolkowy jako główny pośrednik w transmisji momentu, trzeba było poczekać mniej więcej do lat 20. Gdy już się pojawił, spodziewano się, że wyprze wszystkie inne rozwiązania, ale… tak się nie stało i prawdopodobnie nigdy to nie nastąpi. Pomimo upływu 135 lat, każde rozwiązanie dopracowywano i żadne nie okazało się być idealne.

Kochany przez turystów

Dla wielu motocyklistów i niektórych producentów, najbliższy ideałowi jest wał napędowy, często nazywany wałem Kardana lub Cardana. Nie jest to prawidłowa nazwa, ale w mowie potocznej zagnieździła się już chyba na stałe. W rzeczywistości Cardana to są przeguby, którymi połączone są poszczególne części wału znajdujące się w kąpieli olejowej. Jest to rodzaj sworzni, które umożliwiają przekazywanie napędu, nawet gdy odcinki wału są odchylone względem siebie lub przekładni wstępnej, czyli np. podczas pracy tylnego zawieszenia.

Jak nietrudno się domyślić, bez nich wał uległby uszkodzeniu w pierwszych minutach jazdy. Do przeniesienia napędu potrzebne są jeszcze przekładnie zębate, najczęściej o stożkowym zazębieniu. Do tego jeszcze trzeba dodać obudowę, łożyska. Nietrudno się domyślić, że taki zestaw wpływa niekorzystnie nie tylko na masę własną i nieresorowaną motocykla, ale i na koszty produkcji. Na korzyść wału nie przemawia też obecność wielu elementów pośredniczących w przeniesieniu napędu, co powoduje spore straty mocy. W konstrukcjach najnowszej generacji, na koło trafia ok. 10-20% mocy mniej niż wychodzi z wałka zdawczego, a to całkiem spora strata. Warto też wspomnieć o charakterystyce przegubów Cardana. Wały nimi połączone nie obracają się ze stałą prędkością, tylko z pulsacyjną. Natężenie tego zjawiska zmienia się wraz z kątem pomiędzy osiami wałów – im większy, tym większa pulsacja. To zjawisko sprawia, że dodanie lub ujęcie gazu powoduje przysiadanie lub unoszenie tyłu (reakcja może być różna, w zależności od geometrii motocykla), oraz przechyły boczne. Prowadzenie takich maszyn było więc dość specyficzne i nie każdemu odpowiadało.

Koniec problemu

Celowo piszę w czasie przeszłym, bowiem konstruktorzy uporali się z problemem pod koniec lat 80. Jako pierwsze, na poważnie zajęło się tym BMW, dla którego wał napędowy jest wizytówką niemalże od początku działalności. Lekarstwem na bolączki wału, okazał się autorski układ Paralever, na który składała się bardzo lekka cienkościenna obudowa, tłumiki drgań oraz drążki reakcyjne. Te dwa ostatnie pozwoliły niemalże do zera wyeliminować skłonności do przechyłów bocznych i negatywne oddziaływanie pulsacji na zawieszenie podczas zmian obciążenia silnika.

Niemałe znaczenie dla prowadzenia miała także znacznie mniejsza masa nieresorowana. Podobnym tropem co BMW poszli także inni producenci, jak np. Moto Guzzi czy Triumph. Natomiast Yamaha w modelach FJR 1300 czy Super Tenere 1200 wydłużając wahacz osiągnęła zbliżony efekt. Nie da się jednak ukryć, że wał napędowy, nadal jest najdroższym i najcięższym rozwiązaniem. Ma jednak najmniejsze wymagania obsługowe. Wystarczy zmiana oleju raz na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów, ew. czasem jakiegoś łożyska, ale na co dzień i w dalszych trasach można kompletnie o nim zapomnieć. Zazwyczaj jego trwałość jest podobna co całego silnika i naprawdę bardzo rzadko ulega awarii, która uniemożliwiłaby dalszą jazdę. Z tego względu jest to rozwiązanie wręcz kochane przez fanów dalekiej turystyki. Użycie wału ogranicza się jednak do dużych i mocnych motocykli i to nie wszystkich marek. Wierne wałowi pozostają jedynie BMW (wszystkie modele z serii R oraz K1600), Moto Guzzi (wszystkie modele), Triumph (Tiger 1200, Rocket III) oraz Honda (Gold Wing).

Trochę z wału, trochę z łańcucha

Pod względem wygody użytkowania i czystości, podobny wałowi jest pas. Mniejsza jest za to jego trwałość i waga. Wywodzi się on bezpośrednio od skórzanego pasa transmisyjnego, który stosowany był na początku istnienia motocykli i, który niemalże zniknął z użycia na kilkadziesiąt lat. Nie był on bowiem w stanie skutecznie przenosić coraz większej mocy i momentu obrotowego. Współczesne pasy to jednak konstrukcja znacznie bardziej dopracowana.

Przede wszystkim po stronie roboczej jego powierzchnia jest ząbkowana, a koła, po których się porusza mają rowki, więc nie ma mowy o poślizgu, jak to było dawniej. W dodatku dziś pasy wykonuje się z gumy wzmacnianej włóknami kevlarowymi, co zapewnia im bardzo dużą trwałość – ok. 30-40 tys. km. Przy tym przez cały okres użytkowania nie wymagają żadnej obsługi. Ogromną zaletą pasów, jest też komfort jazdy jaki zapewniają. Ograniczają większość szarpnięć wywołanych dodaniem lub ujęciem gazu. Bierze się to z faktu, że pas jest w pewnym stopniu elastyczny i rozciąga się w trakcie jazdy. Niestety ma to też gorsze strony. W przekazie napędu na koło występują spore opóźnienia oraz straty (ok. 10-15%), co spowodowane jest właśnie rozciąganiem pasa. Ponadto pas nie najlepiej znosi nagłą i dużą zmianę obciążenia. Żeby tę sytuację zmienić, trzeba by zastosować układ dźwigni i napinaczy. To niestety swoje waży i kosztuje, a i tak nie eliminuje problemu w całości. Przez to w motocyklach o sportowym charakterze, pas nie znajduje zastosowania. Co nie znaczy, że nikt nie podejmował prób – Buell stosował go przez cały okres produkcji, a Yamaha w prototypowej FZR 1000 zastosowała pas z układem dźwigni i napinaczy. Po wstępnych testach japońskiego motocykla, okazało się, że trwałość na poziomie 15 tys. km i nie do końca rozwiązany problem rozciągania, wyklucza go z użycia w sportowych maszynach. Pas przetrwał więc jedynie w motocyklach, w których komfort jazdy jest przedkładany nad osiągi. Można go więc spotkać w prawie każdym skuterze oraz w większości cruiserów i chopperów – dziś nie wyobrażamy sobie Harleya czy Indiana z innym napędem.

Król też ma wady

Patrząc na rozpowszechnienie, bezsprzecznie królem przeniesienia napędu jest stalowy łańcuch rolkowy. Jest dużo lżejszy od wału, nie powoduje tak dużych strat (ok. 3-7% dla sprawnego łańcucha, ok. 10% dla bardzo zużytego), nie rozciąga się jak pas zębaty i jest najtańszy w produkcji oraz najłatwiejszy w wymianie. Waży co prawda więcej od pasa, ale dodając wagę reszty osprzętu, łańcuch wypada korzystniej.

Niepodważalną zaletą łańcucha jest też możliwość zmiany przełożenia, za pomocą zębatek różnej wielkości. To w pewnym stopniu pozwala dostosować charakterystykę przyspieszenia do swoich potrzeb, co jest istotne szczególnie w jeździe sportowej. Będąc na pewnym „stopniu wtajemniczenia” można też regulować rozstaw osi, zmieniając długość łańcucha. Biorąc pod uwagę te wszystkie zalety, łańcuch sprawdza się bardzo dobrze w niemal każdym typie motocykli – od miejskich, poprzez sportowe i terenowe, na turystycznych kończąc. Jak już jednak wspomniałem, nie ma rozwiązań idealnych i łańcuch nie jest wyjątkiem. Przede wszystkim, wymaga znacznie częstszej obsługi. Co ok. 500 – 600 km należy łańcuch nasmarować, a czasem także wyczyścić by zmyć pastę ścierną (smar zmieszany z piaskiem) i umożliwić nowemu smarowi dobre spenetrowanie ogniw. Nie są to czynności ani przyjemne ani czyste, więc jest to postrzegane jako największa wada łańcuchów.

Dłuższa żywotność

Po drugie, trwałość jest znacznie niższa niż w przypadku wału napędowego. Dawniej, gdy stosowano ogniwa bez uszczelnień, szosowy motocykl klasy 600 ccm wykańczał łańcuch po ok. 5000 km. Dziś takie łańcuchy są jednak stosowane tylko w wyczynowym sporcie, ze względu na niewielkie straty w napędzie. W znakomitej większości motocykli stosuje się już łańcuchy z ogniwami uszczelnionymi O-Ringami lub X-Ringami. Te pierwsze to uszczelki o okrągłym przekroju, te drugie mają przekrój w kształcie litery X. Oba rozwiązania utrzymują smar w rolkach i powstrzymują przed dostaniem się do nich wody, piasku i błota. Skoro mają te same zadania, to po co kombinować z dwoma kształtami? O-Ringi zapewniają trwałość łańcucha na poziomie 30-40 tys. km. Nie są to złe parametry, ale X-Ring zapewnia znacznie lepsze uszczelnienie, do tego stawia mniejsze opory.

Dlatego trwałość takiego łańcucha może być nawet 2 razy większa, ale okupione jest to wyższą ceną. Oczywiście żywotność zależy od wielu czynników. Częsta jazda w deszczu czy w terenie może skrócić jego żywot nawet kilkukrotnie, tak samo jak nieprawidłowe konserwacja, czyszczenie czy naciąg. Pilnowanie stanu łańcucha jest o tyle istotne, że powierzchnia jego styku z zębatką jest bardzo mała (ok. 77 mm2 dla rozmiaru 525), natomiast chwilowe siły działające na nią wynoszą nierzadko grubo ponad tonę. Nie muszę chyba tłumaczyć, jak wiele szkód może zdziałać zerwany łańcuch. Na pocieszenie dodam, że współczesne łańcuchy są projektowane z takim marginesem bezpieczeństwa, aby były w stanie wytrzymać obciążenie nawet trzykrotnie większe niż w trakcie normalnego użytkowania. Sytuacje, w których łańcuch się zrywa, zdarzają się więc niezwykle rzadko.

Wspominając o siłach, jakie działają w trakcie przekazania napędu nie sposób pominąć ich znaczenia dla komfortu jazdy. Niestety łańcuch gorzej niż pas zębaty czy współczesne wały, tłumi wszelkie szarpnięcia wywołane zmianą obciążenia – czyt. dodanie lub ujęcie gazu. Jest to cena, jaką trzeba zapłacić za mniejsze opory i opóźnienia na reakcję na gaz. W motocyklach szosowych stosuje się więc gumowe tłumiki drgań w piaście tylnego koła – tzw. zabieraki, które częściowo rozwiązują problem.

Wieczna trójca

Zapewne zauważyliście, że w przypadku przeniesienia napędu, zawsze jest jakieś „ale”. Wał jest wytrzymały i bezobsługowy, ale ciężki i drogi. Pas jest tani i bezobsługowy, ale się rozciąga i stawia duże opory. Łańcuch jest lekki, tani i generuje najmniejsze straty, ale trzeba się przy nim nabrudzić i nie jest odporny na brud czy wilgoć. Można wymieniać bez końca, przez to obiektywne stwierdzenie, który jest lepszy jest niemożliwe. Przykład? Zaproponuj któremuś z podróżników, by w jego BMW R1200 GS zamienić wał na łańcuch napędowy – od razu stracisz w jego oczach. Ścigant natomiast wyśmieje Cię po usłyszeniu propozycji konwersji z łańcucha na wał. Harleyowiec natomiast nie wyobraża sobie by jego Softail był pędzony czymś innym niż pasek. Koegzystencja tych trzech rozwiązań przez tyle lat, nie jest dziełem przypadku. Każde rozwiązanie odnajduje się w konkretnym zastosowaniu. Pozostaje jeszcze pytanie, czy istnieje szansa na nowy sposób przeniesienia napędu? Suzuki w maksiskuterze Burgman 650, stosuje zestaw kół zębatych przekazujących napęd ze skrzyni biegów na tylne koło. Yamaha próbowała rozwiązań hydraulicznych w WR450F 2Trac i R1 z napędem na dwa koła. Niektórzy producenci motocykli elektrycznych wracają natomiast do montowania silnika w piaście koła. Jednak żaden z tych sposobów nie zdobył i raczej nie zdobędzie dużej popularności, bo po prostu nie są na tyle tanie i łatwe w produkcji oraz serwisowaniu, by stosować je powszechnie. Na horyzoncie nie widać więc alternatyw dla łańcuchów, pasków i wałów. Pytanie tylko czy trzeba je w ogóle zastępować?