Zautomatyzowane skrzynie biegów w ciężkich ciężarówkach

Kto zamawia dziś w Europie ciężki ciągnik siodłowy, ten przekonuje się, że decyzję o skrzyni biegów w dużej mierze podjęto już za niego. Volvo montuje I-Shift standardowo w całej gamie FH, FM i FMX. Actros L ma własną niesynchronizowaną zautomatyzowaną skrzynię manualną Mercedesa, TGX – TipMatic, DAF XG+ – ZF TraXon, a Scania serii S – Opticruise. Manualnej skrzyni biegów nikt nie zakazał; przegrała z konkurencją. To, co ją zastąpiło, warto nazywać poprawnie, bo „skrzynia automatyczna” to inna maszyna o innej ekonomice.

Czym właściwie jest zautomatyzowana skrzynia manualna

AMT to skrzynia manualna, z której obsługi wyłączono kierowcę. Zestawy kół zębatych, wałki i sprzęgła kłowe są takie same jak w skrzyni manualnej. Nie ma przekładni hydrokinetycznej, przekładni planetarnej ani hydraulicznej drogi przenoszenia mocy. Dochodzi natomiast układ wykonawczy – pneumatyczne lub elektryczne siłowniki na widełkach przełączających i na sprzęgle – oraz sterownik, który decyduje, kiedy zmienić bieg.

Sama zmiana biegu jest raczej skoordynowaną sekwencją niż zdarzeniem mechanicznym: ECU zdejmuje moment obrotowy silnika, siłownik wyłącza bieżący bieg, hamulec po stronie wejściowej skrzyni wyhamowuje wałek do prędkości synchronicznej dla następnego przełożenia i bieg zostaje włączony. Sprzęgło główne służy do ruszania z miejsca i do manewrowania; w czasie jazdy większość zmian biegów odbywa się bez jego użycia.

To właśnie ta konstrukcja sprawiła, że w transporcie dalekobieżnym AMT pokonała automatyczną skrzynię z przekładnią hydrokinetyczną, a nie odwrotnie. ZF podaje dla TraXon, swojej 12-biegowej zautomatyzowanej skrzyni do ciężkich pojazdów, sprawność przekładni 99,7% oraz gęstość momentu obrotowego 12,83 Nm na kilogram; w 2023 r. firma przekroczyła milion wyprodukowanych egzemplarzy. Przekładnia hydrokinetyczna nie dorówna bezpośredniemu połączeniu mechanicznemu, a w ciężarówce, która całe swoje życie robocze spędza na najwyższym biegu, sprawność na najwyższym biegu przesądza o wszystkim. Automaty z przekładnią hydrokinetyczną utrzymują się tam, gdzie zachowanie przy ruszaniu i kontrola przy małych prędkościach liczą się bardziej niż paliwo: w wywozie odpadów, w samochodach pożarniczych i w naziemnym sprzęcie lotniskowym. Potrafią też objąć całą gamę, a najwyraźniejszym przykładem jest Iveco Eurocargo: jego obecne broszury oferują skrzynie manualne, ośmiobiegową skrzynię automatyczną ZF i sześciobiegową skrzynię automatyczną Allison, a nie wymieniają żadnej skrzyni zautomatyzowanej. Autokar może być sprzedawany z obiema odpowiedziami obok siebie: MAN oferuje Lion’s Coach z 12-biegową zautomatyzowaną skrzynią TipMatic Coach albo z sześciobiegową skrzynią automatyczną EcoLife, a jego broszura dopuszcza skrzynię automatyczną w dwóch modelach trzyosiowych tylko przy stopniu mocy 480 KM.

Dlaczego skrzynia manualna przegrała – i nie chodziło o komfort

Trzy argumenty, ułożone mniej więcej według tego, o jak duże pieniądze chodzi w każdym z nich.

Pierwszy to powtarzalność. Skrzynia manualna daje takie zużycie paliwa, na jakie stać kierowcę, który danego dnia siedzi za kierownicą, a rozrzut między najlepszym a najsłabszym kierowcą we flocie jest większy niż różnica w specyfikacji między dowolnymi dwiema ciężarówkami tej klasy. AMT zmienia biegi w deszczowy poniedziałek tak samo jak w dobry dzień.

Drugi to ochrona układu przeniesienia napędu. Sterownik nie wybierze przełożenia, które doprowadzi silnik do nadmiernych obrotów albo obciąży układ przeniesienia napędu udarowo, i nie będzie utrzymywał ciężarówki na wzniesieniu ślizgającym się sprzęgłem. W ciężkim zespole pojazdów sposób ruszania na pochyłości ma większy wpływ na trwałość układu przeniesienia napędu niż łączny przebieg.

Trzeci to kadry. Ciężarówka, która nie wymaga umiejętności zmiany biegów, poszerza grono osób mogących prowadzić ją legalnie i kompetentnie oraz skraca czas, po którym nowy kierowca zaczyna efektywnie pracować. Tam, gdzie to dostępność kierowców ogranicza wzrost floty – a według danych o wakatach i odejściach na emeryturę, dotyczących podaży kierowców ciężarówek w Europie, jest tak w większości Europy – nie jest to element komfortu.

Liczba biegów i dlaczego dwanaście

Dwanaście biegów do przodu to europejski standard: niewielka liczba przełożeń w skrzyni głównej, pomnożona przez dzielnik i reduktor. Dwanaście gęsto rozłożonych stopni pozwala nowoczesnemu silnikowi wysokoprężnemu o wąskim zakresie ekonomicznej pracy pozostawać w tym zakresie na pofałdowanym terenie, zamiast męczyć się na zbyt niskich obrotach albo wchodzić na zbyt wysokie obroty między szeroko rozstawionymi przełożeniami. Poniżej klas ciężkich liczba biegów zależy od silnika, a nie od producenta: MAN TGL ma sześciobiegową skrzynię TipMatic za silnikiem czterocylindrowym i dwunastobiegową za sześciocylindrowym – to najwyraźniejsza dostępna ilustracja tego, do czego naprawdę służą dodatkowe przełożenia.

Powyżej dwunastu dodatkowe biegi dają zwykle zdolność ruszania z miejsca, a nie oszczędność. Skrzynie Opticruise Scanii do ciężkich zastosowań – G25, G33 i G38 – oferują zakres 14 biegów, w tym niższy bieg superpełzający, oraz do ośmiu biegów wstecznych, współpracują z silnikami o mocy do 770 KM i ważą zaledwie pięć kilogramów więcej niż wersja standardowa. I-Shift Volvo z biegami pełzającymi wykonuje to samo zadanie inną drogą. Te dodatkowe przełożenia służą do ruszenia bardzo ciężkim zespołem pojazdów na pochyłości i do kontrolowanej jazdy z pełzającą prędkością na budowie – nie do oszczędzania paliwa na autostradzie. W 40-tonowych przewozach dalekobieżnych to masa wożona, z której nigdy się nie korzysta. W Scanii serii S skonfigurowanej do bardzo ciężkich zespołów pojazdów są na swoim miejscu: Scania określa gamę do ciężkich zastosowań jako zoptymalizowaną pod kątem wymagających zadań przy wysokiej masie całkowitej zespołu pojazdów, a przekładnie tylnych osi wymienione na brytyjskiej stronie specyfikacji serii S Scanii mogą przenosić masy całkowite pojazdu i zespołu pojazdów do 78 ton przy jednej osi napędowej z pojedynczą redukcją i do 210 ton przy osi podwójnej ze zwolnicami – to możliwości przekładni osi, a nie dopuszczalna masa ciężarówki, którą podaje wyłącznie jej tabliczka znamionowa.

Drugi wybór ukryty w liczbie biegów to nadbieg albo bieg bezpośredni jako najwyższy. Bieg bezpośredni jest sprawniejszą drogą na najwyższym przełożeniu; skrzynia z nadbiegiem współpracuje natomiast z liczbowo wyższym przełożeniem mostu napędowego, aby uzyskać to samo przełożenie całkowite – to nasze wyliczenie, oparte na tej samej zależności dla przełożenia całkowitego, którą przedstawiono na tamtej stronie. Brytyjskie karty podwozi MAN dla TGS zawierają nie jeden, lecz dwa osobne zestawy przełożeń dwunastobiegowych: zestaw z nadbiegiem, od 12,92 do 0,77, w dwóch wywrotkach 8x4, w tridemie 8x4 i w samochodzie jednoczłonowym 6x4 oraz zestaw z biegiem bezpośrednim, od 16,69 do 1,00, w samochodach jednoczłonowych 4x2 i 6x2 oraz na kartach ciągników. Ford Trucks pokazuje ten sam kontrast w obrębie jednego modelu: F-MAX ma szesnastobiegową skrzynię własnej konstrukcji Forda z nadbiegiem jako najwyższym biegiem, a jego instrukcja obsługi wciąż zawiera tabelę przełożeń szesnastobiegowej skrzyni z biegiem bezpośrednim, którą ta skrzynia zastąpiła.

Pozostałe zyski tkwią w przewidywaniu

Spór o mechanikę jest w dużej mierze rozstrzygnięty. Pozostaje wiedza o tym, co droga przyniesie za chwilę.

Predictive Powertrain Control firmy Mercedes-Benz łączy pozycję GPS z zapisanymi trójwymiarowymi mapami dróg, tworząc elektroniczny horyzont, a następnie dostosowuje prędkość jazdy i wybór biegu do leżących przed pojazdem nachyleń drogi, szczytów wzniesień, promieni zakrętów, ograniczeń prędkości i zasad pierwszeństwa na skrzyżowaniach. Mercedes podaje, że system zna ponad 95% europejskich dróg pozamiejskich i głównych, oszczędza do pięciu procent paliwa w porównaniu z pojazdem bez niego i stale optymalizuje tryb toczenia się skrzyni biegów EcoRoll, tak aby ciężarówka wykorzystywała własny pęd, zamiast przyspieszać przy wjeździe na spadek. W Actrosie L idzie to w parze z układem napędowym od początku zbudowanym wokół utrzymywania wysokiego biegu: maksymalny moment obrotowy wszystkich trzech rodzin jego silników jest dostępny przy 1 100 obr./min. I-See Volvo osiąga ten sam efekt, ucząc się topografii z powtarzanych przejazdów, a nie odczytując jej z mapy.

Nic z tego nie działa ze skrzynią manualną, bo przewidywanie jest bezwartościowe, jeśli coś nie reaguje na nie za każdym razem. Utrzymanie dwunastego biegu na szczycie wzniesienia zamiast redukcji albo rozpoczęcie toczenia się trzysta metrów przed zjazdem musi następować na każdym szczycie i przed każdym zjazdem – a nie tylko na tych, które zauważy kierowca.

Podwójne sprzęgło i przerwa w przenoszeniu momentu obrotowego

Volvo wprowadziło I-Shift Dual Clutch w 2014 r. jako pierwszą skrzynię dwusprzęgłową w ciężkiej ciężarówce. Dwa wałki wejściowe i dwa sprzęgła pozwalają wstępnie wybrać następny bieg, gdy bieżący wciąż przenosi napęd, więc przejęcie następuje bez żadnej przerwy w przekazywaniu mocy i momentu obrotowego. Skrzynia jest oferowana jako opcja w Volvo FH obok standardowej I-Shift.

Przerwa w przenoszeniu momentu obrotowego kosztuje najwięcej w ciężkich zespołach pojazdów na pofałdowanym terenie, w przewozach drewna i w przewozach cysternami na długich podjazdach oraz na trasach dystrybucyjnych z ciągłymi zmianami prędkości. Na płaskich trasach dalekobieżnych z masą 40 ton nowoczesna AMT z jednym sprzęgłem zmienia biegi na tyle szybko, że różnica w przerwie w przenoszeniu momentu jest niewielka.

Drugim kierunkiem rozwoju była szybkość zmiany biegów – to stopniowe doskonalenie inżynierskie, a nie nowa architektura. Aktualizacja I-Shift z 2022 r. miała według Volvo przyspieszyć zmiany biegów maksymalnie o 30% dzięki dokładniejszym czujnikom, nowemu oprogramowaniu na szybszym mikroprocesorze, dodatkowej tarczy w hamulcu skrzyni biegów, która sprawia, że hamulec reaguje wcześniej przed zmianą biegu, oraz mniejszej objętości powietrza w siłownikach widełek przełączających, sprzęgła i hamulca skrzyni biegów.

Dlaczego skrzynia biegów stała się elementem certyfikacji

To, że producenci spierają się o straty w skrzyni biegów z dokładnością do trzeciego miejsca po przecinku, ma przyczynę regulacyjną. Emisji CO2 pojazdów ciężkich w UE nie mierzy się na hamowni podwoziowej; symuluje się je za pomocą VECTO, narzędzia Komisji do obliczania zużycia energii przez pojazdy (Vehicle Energy Consumption calculation Tool), którego stosowanie nakazuje rozporządzenie (UE) 2017/2400. Tarcie w skrzyni biegów jest jednym z jego parametrów wejściowych, obok oporu toczenia, oporu powietrza, mas i bezwładności, mocy urządzeń pomocniczych i osiągów silnika, a straty momentu obrotowego deklaruje się dla każdego biegu.

Dzięki temu sprawność skrzyni biegów jest liczbą, względem której mierzy się deklarowany przez producenta wynik floty, a nie tylko argumentem sprzedażowym. Dlatego skrzynia biegów przestała być częścią, którą producenci ciężarówek kupowali, kierując się ceną.

Funkcje predykcyjne, takie jak PPC i I-See, działają na tym samym sprzęcie jako oprogramowanie, zamówione albo niezamówione przy budowie ciężarówki; sama skrzynia biegów wygląda w obu przypadkach identycznie, dlatego o tym, co przemawia za daną skrzynią, coraz częściej decyduje to, co działa w sterowniku, a nie to, co przykręcono do ramy.