Automatyczne skrzynie biegów są współcześnie standardem w autobusach miejskich. Typowym rozwiązaniem jest skrzynia ze sprzęgłem olejowym i przekładniami planetarnymi. Niniejszy tekst pozwala na zapoznanie się z podstawami budowy automatycznej skrzyni na podstawie zespołu firmy ZF.

Skrzynia biegów jest ogniwem pośrednim układu przeniesienia napędu pomiędzy silnikiem a kołami. Mocuje się ją z jednej strony do koła zamachowego silnika, a z drugiej - do wału napędowego łączącego jej wyjście z wejściem mostu napędowego. Zadaniem skrzyni biegów jest transformacja momentu obrotowego (siły, jaką daje silnik na swoim wyjściu - kole zamachowym). Sposób realizacji tego zadania jest bardzo prosty w swoim założeniu - wewnątrz skrzyni znajdują się przekładnie zębate, zmniejszające prędkość obrotową. W rezultacie, kilka obrotów na wejściu skrzyni od strony silnika daje jeden obrót na wyjściu skrzyni. Rezultat tego działania jest taki, że moment obrotowy (siła) z kilku obrotów jest sumowana i na wyjściu skrzyni uzyskiwana jest większa siła. Zawsze bowiem gdy w przekładni zmniejszane są obroty, to zwiększa się moment obrotowy. Zależność ta wynika z równania na moc:

P = n * T

gdzie:

P - moc będąca iloczynem prędkości i momentu obrotowego, liczona w watach [jednostka - W]

n - prędkość obrotowa wałka wejściowego lub wyjściowego skrzyni, liczona w obrotach ma minutę [rad/s]

T - moment obrotowy (siła w ruchu obrotowym, liczona w niutonometrach - N * m)

Ponieważ przekładnia nie zmienia mocy, iloczyn prędkości obrotowej i momentu musi pozostać stały. Zmniejszając więc prędkość, zwiększamy moment. Przekładnia ma wówczas przełożenie większe od jedności. To proste wyjaśnienie uzasadnia, dlaczego przełożenia pierwszych biegów są większe od jedności, o czym przekonamy się w dalszej części tekstu.

Na powyższym zdjęciu widzimy automatyczną skrzynię biegów ZF 6 HP 604 C dedykowaną do autobusów przegubowych. Ćwiartka skrzyni została wycięta, dla zaprezentowania jej budowy. W aspekcie przeniesienia napędu, skrzynia dzieli się na 2 części - po lewej widoczna jest przekładnia hydrokinetyczna, integrujące w sobie sprzęgło olejowe. Po prawej znajdują się zaś przekładnie planetarne. Inne istotne elementy skrzyni, niewidoczne jednak na zdjęciu, to blok zaworów, elektroniczny kontroler oraz pompa oleju. Więcej szczegółowych informacji znajduje się pod kolejna ilustracją.

Przekrój automatycznej skrzyni biegów. 0 - wejście od strony silnika, 1 - obudowa przekładni hydrokinetycznej, 2 - wirnik pompy, 3 - wirnik turbiny, 4 - wirnik kierownicy, 5 - zwalniacz, 6 - sprzęgło wielopłytkowe, 7 - przekładnia planetarna, 8 - wyjście od strony wału napędowego. fot. Adrian Słupski

Czerwonymi cyframi oznaczono najistotniejsze elementy.

Przekładnia hydrokinetyczna (1). Jest to podzespół umożliwiający bardzo płynne ruszanie autobusu. W przekładni najistotniejsze są dwa wirniki, z wieloma łopatkami, pracujące w zamkniętej przestrzeni wypełnionej w przeważającej części olejem. Pierwszy z nich, wirnik pompy (2), napędzany jest od koła zamachowego silnika. Jest on na stale połączony z obudową sprzęgła. Ruch łopatek wirnika pompy przy ruszaniu autobusu wymusza odśrodkową cyrkulację oleju. Olej zaczyna wirować z dużą siłą, wywierając nacisk na łopatki wirnika turbiny (3). W ten prosty sposób, za pomocą wirującego oleju, przenoszony jest moment obrotowy. Ponieważ jest też dodatkowy, trzeci wirnik - wirnik kierownicy (4), podzespół jest nie tylko sprzęgłem olejowym, ale i przekładnią. Wirnik kierownicy zmienia ukierunkowanie przepływu oleju pomiędzy pompą (2) a turbiną (3), zwiększając tym samym moment obrotowy.

Zwalniacz (5) - to dodatkowy hamulec, zamontowany wewnątrz obudowy skrzyni biegów. Jego zasada działania jest podobna do sprzęgła hydrokinetycznego, z tą różnicą, że zamiast przenoszenia mocy realizowane jest jej wytracanie. Recepta na hamowanie jest prosta - jeden wirnik jest unieruchamiany i energia kinetyczna oleju jest wytracana na jego łopatkach. W trakcie pracy zwalniacza wymagany jest wymuszony obieg silnie nagrzewającego się oleju - energia wirującego oleju zamienia się bowiem w ciepło.

Przekładnie planetarne (7) wraz z hamulcami - sprzęgłami wielopłytkowymi (6). Przekładnie planetarne realizują zmianę przełożenia skrzyni. Schemat prostej przekładni planetarnej pokazano poniżej:

Odpowiednie kolory symbolizują koła zębate - niebieskie jest koło koronowe, o uzębieniu wewnętrznym, żółty kolor mają cztery koła satelitarne - satelity, są one połączone ze sobą jarzmem (oznaczone na czarno), natomiast zielony kolor ma koło słoneczne. Jeden z trzech elementów przekładni - koło koronowe, jarzmo satelitów lub koło słoneczne - można zahamować za pomocą sprzęgła wielopłytkowego. Niezahamowana przekładnia będzie pracowała luzem, natomiast po zahamowaniu przykładowo koła koronowego, można wprowadzać napęd poprzez koło sloneczne i odbierać poprzez jarzmo satelitów - przy takim zblokowaniu przekładni planetarnej satelity zazębione z ruchomym kołem słonecznym i nieruchomym koronowym obiegają koło słoneczne wokół. Stąd też bierze się nazwa - przekładnia obiegowa.

Poprzez odpowiednie hamowanie lub odhamowywanie elementów przekładni uzyskuje się różne wartości przełożeń. Przekładnie mogą pracować szeregowo, wówczas przełożenia sumują się. Z trzech przekładni planetarnych uzyskano w skrzyni ZF 6 HP 604 C łącznie 7 przełożeń, z których jeden to bieg wsteczny, a 6 służy do jazdy nawprost, przy czym 2 z nich to nadbiegi.

Słów jeszcze kilka o samej skrzyni ZF 6 HP 604 C. Pochodzi ona z typoszeregu Ecomat 4. Do sterowania pracą skrzyni wykorzystywany jest elektroniczny sterownik EST 146 bądź EST 147. Maksymalna prędkość obrotowa na wejściu skrzyni wynosi 2 650 obr/min, co jest wartością wystarczającą, z racji na rzadkie wykorzystywanie w autobusach miejskich prędkości silnika większych  niż 2000 obrotów na minutę. Skrzynia waży 369 kilogramów wraz ze zwalniaczem i chłodnicą oleju. W warunkach roboczych wypełnia ją 28 litrów oleju, który spełnia rolę elementu smarującego przekładnie i łożyska, przenoszącego moment w sprzęgle olejowym, oraz pełniącym ważną funkcję wymiany ciepła w trakcie obiegu przez chłodnicę.

Przełożenia skrzyni na poszczególnych biegach są następujące:

Jak łatwo zauważyć, biegi 1-3 mają wartości większe od jedności i służą do rozpędzania, bieg 4 jest biegiem bezpośrednim, natomiast biegu 5-6 to nadbiegi o przełożeniu mniejszym od jedności i służą one poprawie ekonomii paliwowej.

Podsumuwując, automatyczna skrzynia biegów jest złożonym mechanizmem, choć zasady na których opiera się jej praca są stosunkowo proste. Od współczesnych skrzyń wymaga się precyzji wykonania, niezawodności, wysokiej sprawności oraz dużej trwałości. Wszystko to sprawia, iż na świecie jest naprawdę tylko kilku renomowanych producentów automatycznych skrzyń biegów. Do liczących się należą ZF, Voith oraz Allison.

Wykorzystano materiały ze strony www.zf.com. Specjalne podziękowania dla Adriana Słupskiego.