Przełożenie mostu napędowego i przekładnia główna: pojedyncza redukcja, zwolnice i oś portalowa

Strona ze specyfikacją FMX w witrynie Volvo Trucks UK & Ireland podaje dla każdej osi tylnej dwie informacje: typ i zestaw liczb. Typ to krótkie określenie – pojedyncza redukcja, zwolnice w piastach. Każda liczba to sama wartość dziesiętna bez żadnej jednostki: 2,31 albo 3,70, albo 5,41. Liczba to redukcja między wałem napędowym a kołami; typ mówi, w jaki sposób ta redukcja jest uzyskiwana. A te typy, wraz z osią portalową, są zdefiniowane w prawie UE – w załączniku do europejskiego rozporządzenia, które certyfikuje straty momentu obrotowego osi napędzanych.

Rozporządzenie, które nazywa podzespoły

Rozporządzenie (UE) 2017/2400 określa emisję CO2 i zużycie paliwa pojazdów ciężkich za pomocą symulacji, a nie jazdy. Art. 2 ust. 1 stanowi, że z zastrzeżeniem art. 4 akapit drugi ma ono zastosowanie do średnich samochodów ciężarowych, ciężkich samochodów ciężarowych i ciężkich autobusów; ten akapit drugi wyłącza stosowanie art. 5–23 – bloku, który sięga przepisów o osiach z załącznika VII – wobec ciężkich samochodów ciężarowych należących do grup pojazdów 6, 7, 8, 13, 14, 15, 17, 18 i 19, średnich samochodów ciężarowych należących do grup 51, 52, 55 i 56 oraz wszelkich pojazdów z napędzaną przednią osią należących do grup 11, 12 i 16. Art. 2 ust. 3 wyłącza pojazdy terenowe, pojazdy specjalnego przeznaczenia i pojazdy terenowe specjalnego przeznaczenia określone w części A pkt 2.1–2.3 załącznika I do rozporządzenia (UE) 2018/858. Art. 9 ust. 1 nakłada obowiązek na producenta pojazdu: określa on poziom emisji CO2 i zużycia paliwa w przypadku każdego nowego pojazdu, który ma zostać sprzedany, zarejestrowany lub wprowadzony do użytku w Unii – z wyjątkiem nowych pojazdów, w których wykorzystuje się technologie stosowane w pojazdach wymienione w dodatku 1 do załącznika III – przy użyciu najnowszej dostępnej wersji narzędzia symulacyjnego; w odniesieniu do ciężkich autobusów producent pojazdu lub producent pojazdu pośredniego stosuje metodę określoną w załączniku I pkt 2. Dla technologii objętych wyjątkiem określa się jedynie parametry wejściowe wskazane w tabeli 5 w załączniku III, a nie emisję CO2 i zużycie paliwa.

Symulacja przyjmuje straty momentu obrotowego osi jako dane wejściowe – wartości standardowe zgodnie z art. 13 ust. 5 albo wartości certyfikowane zgodnie z art. 14 ust. 7 – więc rozporządzenie musiało najpierw opisać osie. Dla osi napędzanych robi to załącznik VII zatytułowany „Weryfikacja danych dotyczących osi”. Jego pkt 2 zaczyna się od stwierdzenia, że następujące po nim definicje stosuje się do celów tego załącznika – to słownictwo jednej procedury certyfikacji, a nie ogólna prawna definicja osi.

Co mierzy ta liczba

Przełożenie jest mnożnikiem między wałem a kołem i rozporządzenie posługuje się nim właśnie w ten sposób. Pkt 4.4.4 załącznika VII oblicza stratę momentu obrotowego osi po stronie wejściowej jako wejściowy moment obrotowy pomniejszony o wyjściowy moment obrotowy podzielony przez i_gear, przełożenie osi; pkt 6.2.3 oblicza sprawność każdego punktu zmierzonego w badaniu zgodności na podstawie wyjściowego momentu obrotowego, wejściowego momentu obrotowego i i_axle, przełożenia osi; dodatek 3 do tego samego załącznika oblicza podstawowy opór tarcia po stronie koła jako T_d0 = T₀ + T₁ × i_gear. W tych wzorach moment obrotowy dociera do kół pomnożony przez przełożenie, pomniejszony o straty. Drugiej połowy – prędkości obrotowej wału podzielonej przez przełożenie – rozporządzenie nie zapisuje jako wzoru; karty katalogowe Volvo ujmują ją słowami: karta RSS1370A mówi, że w tylnej osi z pojedynczą redukcją prędkość obrotowa jest redukowana w jednym stopniu w przekładni głównej.

Dodatek 2 pokazuje, jak deklaruje się przełożenie. Dokument informacyjny dotyczący osi wymaga od producenta podania linii osi – SR, HR, SP, SRT lub HRT – i przełożenia osi, a wśród specyfikacji przekładni średnicy koła talerzowego, przesunięcia w pionie między zębnikiem a kołem talerzowym, liczby zębów zębnika i liczby zębów koła talerzowego; pkt 1.13 wymaga podania przełożenia zwolnicy.

Volvo publikuje praktyczną konsekwencję. Jego RSS1370A, hipoidalna pojedyncza oś napędowa z pojedynczą redukcją o nośności 13 ton na oś i 70 ton masy całkowitej zespołu pojazdów, ma na karcie katalogowej przełożenia 2,06; 2,17; 2,31; 2,47; 2,64; 2,85 i 3,08:1. Między 2,31 a 2,85 różnica prędkości obrotowej wału napędowego przy dowolnej danej prędkości kół wynosi 23% – ten odsetek to nasze wyliczenie na podstawie dwóch opublikowanych przełożeń, a nie wartość podana przez Volvo. Na karcie brakuje natomiast silnika: opisuje ona oś jako zaprojektowaną dla momentu obrotowego elektrycznej jednostki napędowej 3 550 Nm, jej wiersz specyfikacji podaje maksymalny moment obrotowy elektrycznej jednostki napędowej 3 500 Nm, a moment obrotowy silnika nie pojawia się na niej nigdzie. Przełożenie jest wielkością między wałem a kołem i tylko tak dokument pozwala je odczytywać. Dwaj producenci pojazdów publikują ten sam koniec tej listy, z najdłuższymi przełożeniami, tyle że od drugiej strony: broszura IVECO z lutego 2024 r. dla S-Waya wymienia w akapicie „Best performer in TCO” nowe przełożenia osi tylnej 2,17 i 2,06 – te same dwie liczby, które podaje karta katalogowa Volvo – a anglojęzyczna karta danych Ford Trucks z lipca 2026 r. dla F-MAX podaje 2,31 w wierszu specyfikacji dla F-MAX i F-MAX L oraz 2,17 dla F-MAX LL; jej tabela opon i sprzęgów siodłowych wymienia 2,47 w każdym wierszu F-MAX i F-MAX L, z 2,31 jako alternatywą w wierszach 315/70 R22.5, oraz 2,17 i 2,31 dla F-MAX LL.

Gdzie zachodzi redukcja i czego to nie przesądza

Gdy zestawi się obok siebie dwie osie Volvo o tym samym nacisku na oś i tej samej masie całkowitej zespołu pojazdów, ich karty katalogowe różnią się zakresem przełożeń i wielkością koła talerzowego. RSS1370A z pojedynczą redukcją ma przełożenia od 2,06 do 3,08:1 i koło talerzowe o średnicy 485 mm. RSH1370F, pojedyncza oś napędowa ze zwolnicami o nośności tych samych 13 ton na oś i 70 ton masy całkowitej zespołu pojazdów, ma koło talerzowe o średnicy 295 mm, a jej przełożenia podano według modeli: 3,46; 3,61; 3,76; 4,12 i 4,55:1 w FE, FH i FM; 5,41:1 w FH i FM; oraz 4,67; 5,46; 6,18 i 7,21:1 wyłącznie w FE. Na tych dwóch kartach najniższe przełożenie osi ze zwolnicami leży powyżej najwyższego przełożenia osi z pojedynczą redukcją. Wspólne są jednak tylko masy: karta RSH1370F podaje maksymalny moment obrotowy silnika 3 550 Nm, podczas gdy karta RSS1370A odnosi parametry osi do elektrycznej jednostki napędowej. Volvo samo wyjaśnia, że spiralno-stożkowa konstrukcja jego przekładni głównej jest stosowana głównie w osiach tylnych, w których większa część redukcji odbywa się w przekładniach piast, a tylko niewielka w przekładni głównej; różnica średnic zębnika i koła talerzowego jest niewielka, a to – jak podaje Volvo – daje łatwą w obsłudze przekładnię główną o niskich stratach napędu. Odczytanie 485 mm i 295 mm jako widocznego skutku tego rozwiązania to nasza interpretacja; Volvo drukuje obie średnice na osobnych kartach katalogowych i w żaden sposób ich ze sobą nie porównuje.

Wystarczy wyjść poza te dwie karty, a prawidłowość przestaje obowiązywać. Karta katalogowa Volvo dla RSS1370B, wersji B tej samej osi z pojedynczą redukcją, o tych samych 13 tonach na oś i 70 tonach masy całkowitej zespołu pojazdów, podaje przełożenia 3,40; 3,67 i 4,11:1, a dwa najwyższe z nich leżą powyżej najniższego przełożenia RSH1370F, wynoszącego 3,46. Strona ze specyfikacją Volvo FMX w witrynie Volvo Trucks UK & Ireland zestawia obie rodziny w jednej tabeli: dzieli osie tylne na grupę z pojedynczą redukcją i grupę ze zwolnicami, z dopuszczonymi masami całkowitymi zespołu pojazdów od 44 ton dla RSS1344C/E i RSS1244B do 150 ton dla RTH3815. Jej tabela przełożeń osi tylnych wymienia obie wersje pod wspólnym oznaczeniem RSS1370A/B, z przełożeniami 2,47; 2,64; 2,85; 3,08; 3,40; 3,67 i 4,11:1 – to przełożenia z karty A od 2,47 w górę i trzy z karty B, bez 2,06; 2,17 i 2,31 z karty A; to przyporządkowanie jest naszym odczytaniem trzech dokumentów, a nie informacją wydrukowaną przez Volvo. Ta sama tabela podaje oś z pojedynczą redukcją RSS1344C/E z przełożeniem aż do 5,29:1, a tandem z pojedynczą redukcją RTS2310A – aż do 4,63:1; oba leżą powyżej każdego przełożenia osi ze zwolnicami, jakie strona FMX oferuje dla RSH1365. To, gdzie zachodzi redukcja, nie przesądza o tym, gdzie wypada przełożenie; publikowane zakresy się nakładają. Dokumenty różnią się natomiast momentem obrotowym: strona FMX podaje 3 800 Nm dla RSS1370A/B i dla RSH1370F, karty katalogowe RSS1370B i RSH1370F podają maksymalny moment obrotowy silnika 3 550 Nm, a karta RSS1370A odnosi tę oś do momentu obrotowego elektrycznej jednostki napędowej 3 550 Nm. Oba dokumenty podają różne wartości i żaden nie wyjaśnia tej różnicy.

Rozporządzenie dzieli linie osi także według przełożenia, choć nie po to, by je opisać. Gdy badanie zgodności produkcji przeprowadza się przez pomiar oporu tarcia – pkt 6.1 lit. c) załącznika VII, jedna z trzech metod stosowanych „po wcześniejszym uzgodnieniu między organem udzielającym homologacji a wnioskodawcą” – pkt 6.4.1 lit. b) stanowi, że opór tarcia badanej osi „musi być niższy niż odpowiadający mu opór tarcia zatwierdzonego typu osi lub w granicach tolerancji wskazanych w tabeli 2”. W kolumnach dla osi mierzonych po dotarciu tabela 2 dzieli tę tolerancję, wyrażoną w Nm, na przedziały według przełożenia, a granicę przedziałów wyznacza linia osi: i ≤ 3 lub > 3 dla SR i SRT, ≤ 6 lub > 6 dla SP, ≤ 7 lub > 7 dla HR i HRT. Ta granica jest stopniem w tabeli tolerancji, a nie krawędzią zakresu przełożeń danej linii, i dla linii ze zwolnicami ustalono ją wyżej niż dla linii z pojedynczą redukcją. Pkt 3 załącznika dodaje konsekwencję dla badań: różne przełożenia osi ze zwolnicą, osi podwójnych ze zwolnicą i pojedynczych osi portalowych – HR, HRT i SP – można mierzyć, wymieniając jedynie zwolnicę.

Oś portalowa istnieje ze względu na prześwit lub niską podłogę

To właśnie definicję z pkt 2 ppkt 2 warto zacytować i jest to jedyna z pięciu definicji, która wiąże układ mechaniczny z koncepcją pojazdu. Pojedyncza oś portalowa oznacza oś, w której oś obrotu koła talerzowego jest zazwyczaj przesunięta w pionie względem osi obrotu koła „ze względu na potrzebę zwiększenia prześwitu pojazdu lub obniżenia podłogi, aby umożliwić realizację koncepcji niskopodłogowych autobusów miejskich”. Dalej definicja opisuje konstrukcję: zazwyczaj pierwszą przekładnię redukcyjną stanowi zespół stożkowych kół zębatych, a druga jest zespołem czołowych kół zębatych przesuniętych w pionie bezpośrednio przy kołach. Rozporządzenie (UE) 2022/1379 dodało do tego zdania słowa „lub zespołem kół zębatych śrubowych”.

Wynikają z tego dwie rzeczy. Przesunięcie jest celem tej osi, a nie jej skutkiem ubocznym – rozporządzenie wskazuje większy prześwit lub obniżoną podłogę jako potrzebę, z której wynika ten układ, a drugą z nich wiąże, jego własnymi słowami, z realizacją „koncepcji niskopodłogowych autobusów miejskich”; samo rozporządzenie definiuje pojazdy niskopodłogowe jako kody pojazdu CE, CF, CG i CH z rozporządzenia (UE) 2018/858 (załącznik I, tabela 3, przypis 2). Ponadto rozporządzenie traktuje osie portalowe jako przypadek szczególny w załączniku I i w dodatkach do załącznika VII. Załącznik I wykorzystuje linię osi do klasyfikacji kompletnych i skompletowanych ciężkich autobusów: zgodnie z pkt 1.2.3 lit. d) i rysunkiem 1 autobus niskopodłogowy o kodzie pojazdu CE lub CG jest pojazdem „z obniżonym wejściem”, jeżeli jego typ osi jest inny niż pojedyncza oś portalowa; przy pojedynczej osi portalowej jest pojazdem z obniżonym wejściem tylko wtedy, gdy ma stopień w przejściu środkowym, a wartość domyślna to „nie”. Dodatek 2 zawiera pozycję stosowaną tylko dla osi portalowych: kąt między osią zębnika a osią koła talerzowego w stopniach. Dodatek 4 zawiera dwa kryteria rodziny dotyczące wyłącznie osi portalowych – kąt zębnika względem płaszczyzny poziomej w granicach ± 5° oraz kąt między osiami zębnika i koła talerzowego w granicach ± 3,5° – i zwalnia pojedyncze osie portalowe z kryterium geometrii obudowy osi, które obowiązuje każdą inną linię.

Solaris określa oś napędową Urbino 12 electric z napędem modułowym, elektrycznego autobusu miejskiego z napędem bateryjnym, jako oś portalową ze stabilizatorem, obok centralnego silnika elektrycznego o mocy 240 kW, w autobusie o dopuszczalnej masie całkowitej 19 500 kg – do 20 000 kg w zależności od kraju i opon. Karta danych nazywa oś; nie mówi, na którą z dwóch potrzeb wymienionych w definicji ta oś odpowiada.

Tandem to dwa podzespoły, a nie jeden

Dwie ostatnie definicje opisują napęd przelotowy. SRT to oś z pojedynczą redukcją, która przenosi również moment obrotowy z kołnierza wejściowego przez kołnierz wyjściowy na kolejną oś; HRT to oś ze zwolnicą o tej samej możliwości. W tandemie z napędem obu osi, takim jak RTH3312 Volvo, napęd przelotowy jest sposobem napędzania drugiej osi: wał wyjściowy przekładni rozdzielczej napędza przekładnię główną drugiej osi za pośrednictwem wału napędowego. Oznaczenie układu osi informuje jedynie o tym, że napędzane są dwie osie, nigdy zaś o tym, jak moment obrotowy dociera do drugiej z nich.

Rozporządzenie rozlicza parę osi, a nie pojedynczy podzespół. Dla mierzonego tandemu pkt 4.4.8.5 załącznika VII sumuje mapy strat dwóch pojedynczych osi w jedną połączoną mapę; w przypadku wartości standardowych dodatek 3 stanowi, że osie podwójne oblicza się przy użyciu połączonej sprawności osi z napędem przelotowym, SRT lub HRT, oraz odpowiedniej osi pojedynczej, SR lub HR. RTH3312 Volvo pokazuje to w praktyce: dwie jednostopniowe przekładnie spiralno-stożkowe ze zwolnicami, skrzynkę rozdzielczą z walcowymi kołami czołowymi w pierwszej z osi tylnych o przełożeniu 1:1, trzy blokady mechanizmów różnicowych, przełożenia od 3,61 do 7,21:1, maksymalne obciążenie zespołu osi 33 000 kg i maksymalną masę całkowitą zespołu pojazdów 120 000 kg. Skrzynka rozdzielcza nie wprowadza żadnej redukcji; liczba na karcie specyfikacji to nadal przełożenie osi ze zwolnicami. 120 000 kg to parametr osi, a nie dopuszczalna masa: limity prawne i tabliczka znamionowa samego pojazdu to odrębne pułapy.

Co zakłada prawo, gdy nikt nie mierzy osi

Rodzinę osi można certyfikować na podstawie pomiaru albo producent może przyjąć wartości standardowe z dodatku 3 do załącznika VII. Wartości te to ogólna sprawność dla strat zależnych od obciążenia oraz ogólny podstawowy opór tarcia i są ustalone dla każdej linii osi.

Z tej tabeli warto wyciągnąć dwa wnioski. Pierwszy to koszt nienależenia do żadnej z pięciu nazwanych linii: dla osi, która nie pasuje do żadnej z nich, przyjmuje się sprawność 0,90 i podstawowy opór tarcia 150 + 50 × i Nm, wobec 0,98 i 70 + 20 × i Nm dla zwykłej osi z pojedynczą redukcją. Żadna z tych par liczb nie jest sama w sobie oporem tarcia – to współczynniki T₀ i T₁, a opór tarcia to wynik, który daje z nich wzór. Z tego wynika drugi wniosek: wartość oporu tarcia rośnie wraz z przełożeniem, a nic innego w tabeli od niego nie zależy. Po zastosowaniu wzoru z samego rozporządzenia do podanych wyżej przełożeń oś z pojedynczą redukcją o przełożeniu 2,31 otrzymuje podstawowy opór tarcia 116,2 Nm, a oś ze zwolnicą o przełożeniu 5,41 – 178,2 Nm; to nasze wyliczenie na podstawie tabeli 1 i opublikowanych przełożeń, a nie liczby wydrukowane w rozporządzeniu. Warto dokładnie określić, co to porównanie zmienia, bo zmienia ono dwie rzeczy jednocześnie. Kolumna sprawności jest powiązana z linią osi, a nie z przełożeniem: każda oś SR otrzymuje 0,98 bez względu na to, jaką ma liczbę, a spadek do 0,97, 0,96 lub 0,95 wynika z tego, że oś jest typu HR, SRT lub SP albo HRT. Od i_gear zależy tylko T_d0. Przy wartościach standardowych liczbowo wyższe przełożenie jest więc karane wyłącznie przez opór tarcia; druga kara w przykładzie wynika ze zmiany linii, a nie ze zmiany liczby.

Osobny dodatek określa, jak wybiera się oś macierzystą rodziny. Zgodnie z pkt 4.1 dodatku 4 osią macierzystą jest oś o najwyższym przełożeniu; w przypadku gdy więcej niż dwie osie mają takie samo przełożenie, producent „powinien dokonać analizy w celu określenia najgorszego przypadku osi macierzystej”. Elementy, które „można uznać za mające wpływ na opór tarcia”, należy również określić i uwzględnić przy wyborze (pkt 4.3), a organ udzielający homologacji „może stwierdzić”, że najgorszy przypadek strat momentu obrotowego w rodzinie najlepiej określić, badając dodatkowe osie (pkt 4.2).

Gdzie liczba pojawia się na papierze

Załącznik IV określa dokumenty generowane przez symulację; każdy z nich ma zawierać wymienione informacje, „jeżeli mają one zastosowanie”. W dokumentacji producenta pkt 1.7.4 to typ osi – wzór podaje jako własny przykład „oś z pojedynczą redukcją” – a pkt 1.7.5 to przełożenie osi. W dokumentacji informacyjnej przeznaczonej dla klientów, krótkim dokumencie, który musi towarzyszyć samochodom ciężarowym oraz kompletnym lub skompletowanym ciężkim autobusom przy ich rejestracji, sprzedaży lub dopuszczeniu do ruchu, skrzynia biegów i oś sprowadzają się do kilku pozycji: wartości związanych z przekładnią (pomiar lub wartości standardowe), typu przekładni, liczby biegów, zwalniacza (tak lub nie) oraz, w pkt 1.2.8, przełożenia osi. Z sześciu pozycji dotyczących osi w dokumentacji producenta, pkt 1.7.1–1.7.6, w dokumentacji dla klientów powtarza się tylko przełożenie; typ osi pozostaje w dokumentacji producenta. W przypadku pojazdów, w których wykorzystuje się technologie wymienione w dodatku 1 do załącznika III, art. 9 ust. 1 wymaga jedynie parametrów wejściowych z tabeli 5 w załączniku III, a na tej liście nie ma ani przełożenia osi, ani typu osi.

Tę wartość należy czytać w zestawieniu ze skrzynią biegów, a nie w oderwaniu od niej. Załącznik IV wyraża tę zależność wprost tam, gdzie opisuje zintegrowany elektryczny mechanizm napędowy: pkt 1.14.6 dokumentacji producenta to najniższy całkowity współczynnik przełożenia, „najwyższe przełożenie razy przełożenie osi, w stosownych przypadkach”. Po wymnożeniu skrzynia z biegiem bezpośrednim jako najwyższym i skrzynia z nadbiegiem jako najwyższym biegiem osiągają to samo przełożenie całkowite przy różnych przełożeniach osi – to nasze wyliczenie, a nie zapis z rozporządzenia; stronę skrzyni biegów w tym wyborze omawia tekst o zautomatyzowanych skrzyniach biegów. RSS1344C Volvo pokazuje to od strony dostępności, a nie teorii: z dwóch modeli, których dotyczy karta, 3,70:1 jest oferowane zarówno w FM, jak i w FH, 4,11 i 4,63:1 w FM, ale nie w FH, a 5,29:1 w FM wyłącznie w wersji 4×2. Ta karta, podobnie jak karta RSS1370A, odnosi się do momentu obrotowego elektrycznej jednostki napędowej – 2 600 Nm – i nie wymienia żadnego silnika. Przełożenie, w jakim oś jest produkowana, nie zawsze jest oferowane w każdym modelu.

Do czego służy dana oś, Volvo podaje na każdej karcie katalogowej własnymi słowami. RSS1370A „has fast ratios and is intended for high speed heavy transports”; RSS1344C „is intended for high-speed transport on good roads”; RSH1370F „is designed to be used for heavy transports on demanding and hilly roads”; RTH3312 „is designed for heavy, demanding haulage and train weights of up to 120 ton”.