Przeniesienie napędu – napędowe przepychanki

Wcale nie dziwi mnie, 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 nie jest wart uwagi. Oprócz przeniesienia momentu obrotowego na tylne koło, ma także wpływ na zachowanie np. zawieszenia, a więc na prowadzenie motocykla.

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, np. wieszanie silnika przy kole lub nawet zespolenie tych elementów, jak np. w Megoli z 1921 roku z silnikiem gwiazdowym. Nie zdobyły one popularności, bo już na początku XX wieku, standardem konstrukcyjnym stało się montowanie silników w dolnym węźle ramy. To zakończyło większość kombinacji, ale nie narzuciło konkretnego sposobu na połączenie silnika z kołem.

Na początku wydawało się, że to 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 sukces, ale przyjął się tylko w mocnych i drogich motocyklach. Na łańcuch rolkowy trzeba było poczekać mniej więcej do lat 20., a gdy się pojawił, podejrzewano, że wyprze inne rozwiązania, ale… tak się nie stało i prawdopodobnie nigdy to nie nastąpi. Przez 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/Cardana. Nie jest to prawidłowa nazwa, ale w mowie potocznej zagnieździła się już na stałe. W rzeczywistości Cardana to są przeguby, którymi połączone są poszczególne części wału, najczęściej znajdujące się w kąpieli olejowej. 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 po kilku minutach jazdy. Do przeniesienia napędu potrzebne są jeszcze kątowe przekładnie zębate, najczęściej o skośnych zębach. Do tego jeszcze trzeba dodać obudowę i łożyska.

Nietrudno się domyślić, że taki zestaw wpływa niekorzystnie nie tylko na masę własną i nieresorowaną, 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. Warto też wspomnieć o charakterystyce przegubów Cardana. Wały nimi połączone nie obracają się ze stałą prędkością, tylko z pulsacyjną. Natężenie tego zjawiska rośnie wraz z kątem pomiędzy osiami. 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. Celowo piszę w czasie przeszłym, bowiem konstruktorzy uporali się z problemem pod koniec lat 80. Jako pierwsze zajęło się tym BMW, dla którego wał napędowy jest wizytówką od początku działalności. Lekarstwem okazał się układ Paralever, na który składają się bardzo lekka obudowa, tłumiki drgań oraz drążki reakcyjne. Te dwa ostatnie pozwoliły niemalże do zera wyeliminować skłonności do przechyłów bocznych i negatywne oddziaływanie na zawieszenie. Niemałe znaczenie dla prowadzenia miała także mniejsza masa nieresorowana.

W ślady BMW poszli inni producenci, jak np. Moto Guzzi czy Triumph. Natomiast Yamaha w modelach FJR 1300 czy Super Tenere 1200 osiągnęła zbliżony efekt wydłużając wahacz. Niestety wał napędowy nadal jest najdroższym i najcięższym rozwiązaniem. W zamian za to wymaga najmniejszej obsługi. Wystarczy zmiana oleju raz na kilkadziesiąt tys. km i można o nim zapomnieć, nawet w dalszych trasach. Zazwyczaj jego trwałość jest podobna do trwałości silnika i bardzo rzadko ulega poważnej awarii. Z tego względu niektórzy fani dalekiej turystyki wręcz kochają wał. Producenci jednak niekoniecznie – obecnie stosują go jedynie BMW, Moto Guzzi, Triumph oraz Honda.

Trochę z wału, trochę z łańcucha

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

Przede wszystkim po stronie roboczej ich powierzchnia jest ząbkowana, a koła, po których się poruszają mają rowki więc nie ma mowy o poślizgu, jak to było dawniej. W dodatku dziś pasy wykonuje się z gumy wzmacnianej kevlarem, co zapewnia im bardzo dużą trwałość – ok. 30-40 tys. km. Przy tym przez cały okres użytkowania nie wymagają żadnej obsługi. Do zalet można też zaliczyć eliminowanie większości szarpnięć wywołanych dodaniem lub ujęciem gazu. Bierze się to z faktu, że pas rozciąga się w trakcie jazdy. Niestety ma to też gorsze strony. W przekazie napędu na koło występują spore opóźnienia oraz straty mocy ok. 10-15%. Ponadto pas nie najlepiej znosi nagłą i dużą zmianę obciążenia.

By ograniczyć rozciąganie, należy zastosować układ dźwigni i napinaczy. To niestety swoje waży i kosztuje, a i tak nie eliminuje problemu w całości. Przez to pas nie przyjął się w motocyklach o sportowym charakterze, choć czasem się pojawiał. Buell stosował go przez cały okres produkcji, a Yamaha w prototypowej FZR 1000 testowała pas z układem dźwigni i napinaczy. Japończycy porzucili ten pomysł gdy okazało się, że pas wytrzymuje ok. 15 tys. km i wciąż nie jest odpowiednio sztywny. Pas przetrwał jedynie w motocyklach, w których komfort jazdy jest przedkładany nad osiągi. Można go więc spotkać w większości skuterów oraz cruiserów i chopperów – dziś nie wyobrażamy sobie Harleya czy Indiana z innym napędem.

Król też ma wady

Patrząc na rozpowszechnienie, 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 i tak wypada korzystniej. Przewagą łańcucha jest też możliwość łatwej zmiany przełożenia za pomocą zębatek różnej wielkości. To w pewnym stopniu pozwala dostosować charakterystykę przyspieszenia do indywidualnych 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 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 tu wyjątkiem. Przede wszystkim wymaga znacznie częstszej obsługi. Co ok. 500-600 km należy go nasmarować, a czasem także wyczyścić, by zmyć 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.

Po drugie, trwałość jest znacznie niższa niż w przypadku wału napędowego. Dawniej, gdy stosowano ogniwa bez uszczelnień, szosowy motocykl klasy średniej wykańczał łańcuch po ok. 5000 km. Dziś takie łańcuchy są jednak stosowane tylko w wyczynowym sporcie, ze względu na mniejsze 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 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-Ringi znacznie lepiej uszczelniają i stawiają mniejsze opory. 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 ją skrócić nawet kilkukrotnie, tak samo jak nieprawidłowe konserwacja, czyszczenie czy naciąg.

Pilnowanie stanu łańcucha jest o tyle istotne, że powierzchnia styku jego rolki z zębatką jest bardzo mała (ok. 77 mm2 dla rozmiaru 525), natomiast 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, aby wytrzymały 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 szarpnięcia wywołane zmianą obciążenia silnika. 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 R 1200 GS zamienić wał na łańcuch – od razu stracisz w jego oczach. „Ścigant” 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 odnajduje się w konkretnym zastosowaniu.

Pozostaje jeszcze pytanie, czy istnieje szansa na nowy sposób przeniesienia napędu? Suzuki w maksiskuterze Burgman 650 stosuje koła zębate przekazujące 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 nie są one wystarczająco tanie i łatwe w produkcji oraz obsłudze. Na horyzoncie nie widać więc alternatyw dla łańcuchów, pasków i wałów. Pytanie tylko, czy trzeba je w ogóle zastępować?