Dwusprzęgłowe skrzynie biegów − nie tylko DSG

Konieczność stosowania wszelkiego rodzaju skrzyń biegów oraz sprzęgieł w samochodach, wynika z charakterystyki pracy silnika spalinowego. Do jej cech należy wąski zakres prędkości obrotowych, w których silnik dostarcza satysfakcjonujący moment obrotowy oraz konieczność pracy silnika na biegu jałowym. Innymi słowy, gdy nie potrzebujemy mocy silnika on i tak musi się kręcić np. gdy stoimy na światłach. To właśnie za pomocą sprzęgła odłączamy silnik od układu napędowego samochodu przez co możemy zatrzymać samochód bez gaszenia silnika. Skrzynia biegów natomiast pozwala zmieniać przełożenia, tak aby moc silnika była dostępna w szerokim zakresie prędkości obrotowych. W historii motoryzacji opracowano kilka rodzajów sprzęgieł oraz skrzyń biegów, z których wyklarowały się dwa najpopularniejsze rozwiązania. Pierwszym z nich jest ręczna skrzynia biegów z manualnie operowanym sprzęgłem, czyli to co znamy z większości samochodów jeżdżących po polskich drogach. W tego typu rozwiązaniu przyjęło się stosować jednotarczowe sprzęgło suche oraz szereg jednostopniowych przekładni walcowych jako skrzynię biegów. Drugim rozwiązaniem jest automatyczna skrzynia biegów składająca się z przekładni hydrokinetycznej, która w pewnym sensie działa jak sprzęgło oraz przekładni planetarnych. Rozwiązania te dominowały przez dziesięciolecia. Każde z nich ma swe zalety i wady. Jednak ostatnimi laty pojawiła się bardzo ciekawa alternatywa w postaci dwusprzęgłowych skrzyń biegów.

Rys historyczny

Trudno powiedzieć kiedy i gdzie zrodził się pomysł dwusprzęgłowych skrzyń biegów. Sama koncepcja nie jest skomplikowana, problemem jednak jest wyrafinowanie technologiczne, sposób sterowania oraz poziom komplikacji, który jest równoznaczny z wysokimi kosztami. Pierwszą firmą motoryzacyjną, która uporała się z tymi problemami było Porsche, które w latach osiemdziesiątych zastosowało tego typu skrzynie biegów w modelu 962. Samochód był wyścigowym bolidem startującym w Le Mans oraz innych, podobnych wyścigach długodystansowych. Porsche nazwało swą skrzynię PDK od niemieckiego Porsche Doppelkupplung, czyli podwójne sprzęgło. Świat wyścigów zawsze dzieliła duża różnica technologiczna względem samochodów drogowych. Jednak w latach osiemdziesiątych Porsche zaoferowało prywatnym klientom niesamowicie nowoczesny model 959. Samochód ten na zawsze przeszedł do historii motoryzacji jako najbardziej zaawansowany samochód swoich czasów. To właśnie w 1986 roku, w Porsche 959, miała miejsce światowa „drogowa” premiera dwusprzęgłowej skrzyni biegów, która była jednym z dowodów, że samochód wyprzedał swoje czasy. Samochód produkowano do 1989 roku i powstało tylko 337 egzemplarzy, które były bardzo drogie unikatowe. Po zakończeniu produkcji 959 świat motoryzacji zapomniał o dwusprzęgłowych skrzyniach biegów na kilkanaście lat. Dopiero po latach, prawdziwym popularyzatorem tego typu skrzyni biegów stał się jednak koncern VW, który jako pierwszy był w stanie stworzyć dwusprzęgłową skrzynię biegów DSG osiągalną dla przeciętnego kierowcy. Przekładnia ta, oferująca 6 przełożeń, pojawiła się w 2003 roku w VW Golfie czwartej generacji, w wersji R32, nosząc dobrze dziś znaną nazwę DSG od angielskiego Direct Shift Gearbox.
Trudno jest jednoznacznie stwierdzić co ta nazwa oznacza, w dosłownym tłumaczeniu to skrzynia biegów o bezpośredniej zmianie . Wkrótce po Golfie pojawiło się Audi TT 3.2 z tą samą przekładnią. Do cech charakterystycznych należą dwa współcentryczne wielotarczowe sprzęgła mokre, które są w stanie przenieść do 350 Nm momentu obrotowego silnika. W późniejszym okresie koncern VW przedstawił kilka innych wersji skrzyń DSG, różniących się od siebie rodzajem użytych sprzęgieł oraz sposobu zabudowy w samochodzie. Poczynania VW były obserwowane przez cały przemysł motoryzacyjny, który z dużą niepewnością podszedł do śmiałego pomysłu. Po latach eksploatacji okazało się, że tego typu rozwiązanie dobrze funkcjonuje i reszta świata motoryzacji wzięła się do pracy nad własnymi rozwiązaniami. W ciągu kilku ostatnich lat większość czołowych producentów wprowadziła tego typu przekładnie. Obecnie występują one głównie jako opcje za dopłatą, jednak wszystko wskazuje na to że za jakiś czas zupełnie zdominują rynek.

Zasada działania

W uproszczeniu można powiedzieć, że dwusprzęgłowa skrzynia biegów to dwie skrzynie biegów oraz dwa sprzęgła chytrze zabudowane w jednej obudowie. W każdej z tych skrzyń biegów załączony jest jeden bieg. W jednej, bieg na którym obecnie jedziemy, a w drugiej bieg który będzie wybrany następny. Zmiana przełożenia w trakcie jazdy polega na przełączaniu pomiędzy dwiema skrzyniami biegów za pomocą dwóch sprzęgieł. Kluczem do szybkiej zmiany przełożenia jest wcześniej wybrany bieg na „niepracującej” w danej chwili skrzyni biegów. Jeżeli ruszamy na pierwszym biegu oczywistym jest, druga skrzynia biegów automatycznie ustawia się na drugim biegu. Wbicie dwójki skutkuje rozłączeniem sprzęgła połączonego ze skrzynią, w której jest pierwszy bieg i włączeniem sprzęgła połączonego z drugim biegiem. Zmiana wyższych biegów następuje analogicznie. Koniecznym jednak jest zastosowanie algorytmu sterowania, który rozpoznaje czy kierowca będzie zmieniał bieg na wyższy, czy będzie redukował. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że jeżeli kierowca „dodaje gazu” to przygotowany jest bieg wyższy, jeżeli hamuje to przekładnia przygotowuje niższy bieg. Obecne systemy sterowania są bardzo dobrze dopracowane, przez co skrzynia biegów jest zawsze przygotowana, aby realizować wolę kierowcy. Otrzymujemy dzięki temu niesamowicie krótki czas zmiany biegów, bez konieczności synchronizacji, który pozwala praktycznie w sposób ciągły przenosić moment obrotowy silnika.

Tajemnicą konstrukcji dwusprzęgłowej skrzyni biegów są dwa współosiowe wałki, jeden drążony, a drugi biegnący w nim. Każdy z tych wałków połączony jest z jednym ze sprzęgieł, które współpracują z silnikiem spalinowym. Na jednym wałku znajdują się koła zębate nieparzystych przełożeń czyli biegi 1, 3, 5, a czasem nawet 7. Na drugim wałku są biegi parzyste 2, 4, 6. W zależności od konstrukcji stosowane są różne sprzęgła. Generalnie obecnie dla układów przenoszących stosunkowo niskie momenty obrotowe stosuje się dwa sprzęgła jednotarczowe suche, które umieszczone są jeden w drugim i swoją budową przypominają sprzęgła klasyczne. W rozwiązaniach przenoszących większe momenty obrotowe stosuje się wielotarczowe sprzęgła mokre o zbliżonych średnicach. W grupie VW tego typu sprzęgła przenoszą do 650 Nm momentu obrotowego. W obecnie dostępnych skrzyniach biegów sprzęgła sterowane są automatycznie, więc w samochodzie nie ma pedału sprzęgła, a ruszanie odbywa się w sposób zbliżony do przekładni automatycznej. Większość producentów daje nam również wybór pomiędzy automatycznym i ręcznym trybem pracy, w zależności od chwilowych upodobań kierowcy. Styl pracy skrzyni biegów jest różny w zależności od rodzaju samochodu. W samochodach sportowych czasy zmiany przełożeń będą skrócone do absolutnego minimum oferując niższy komfort (dopuszczane będą szarpnięcia) oraz szybsze zużycie. W samochodach bardziej nastawionych na komfort, czasy te będą dłuższe. Dzięki czemu zmiana biegów będzie bardzie płynna i mniej obciążająca układ napędowy.

Zalety i wady

Stopień skomplikowania dwusprzęgłowych skrzyń biegów jest wysoki, więc wymagania stawianie im również. Źródłem inspiracji do skonstruowania pierwszej tego typu przekładni w firmie Porsche był bardzo krótki czas zmiany biegu mierzony w milisekundach, nieosiągalny w ręcznych skrzyniach biegów. Dodatkowo poprzez swą konstrukcję (biegi włączane są poprzez siłowniki) skrzynie dwusprzęgłowe od razu mogą pracować w trybie automatycznym. Robią to w dodatku lepiej niż klasyczne przekładnie automatyczne ponieważ wyeliminowana jest niskiej sprawności przekładnia hydrokinetyczna. Dzięki temu otrzymujemy skrzynię biegów, która pozwala nam przyspieszać szybciej nić ręczna przekładnia, a gdy tego chcemy oferuje komfort automatu. Dodatkowo odrobinę obniża zużycie paliwa. Fani sportów motorowych docenią również możliwość zmiany przełożeń w sposób zbliżony do Formuły 1 czy aut WRC, np. za pomocą dźwigienek za kierownicą. Wadami z pewnością są skomplikowanie konstrukcji oraz wynikająca z tego cena. Ponadto w samochodach superluksusowych, jeszcze przez jakiś czas, prym będą wiodły klasyczne, automatyczne skrzynie biegów dzięki swej niekwestionowanej „miękkości” ruszania i zmiany biegów.

Popularyzacja dwusprzęgłowych skrzyń biegów

Obecnie, po około 20 latach, Porsche w swej ofercie ma znów skrzynie PDK. Dostępna jest min. w super-limuzynie Panamera. Zastosowana skrzynia biegów ma aż 7 przełożeń, co pozwala osiągnąć wysoką dynamikę przyspieszania i prędkość maksymalną która osiągana jest na 6 biegu. Bieg 7 jest nadbiegiem pozwalającym obniżyć zużycie paliwa oraz hałas przy szybkiej jeździe. Silnik łączony jest ze skrzynią biegów wielotarczowymi sprzęgłami mokrymi, które pozwalają przenosić aż 700 Nm najmocniejszego silnika dostępnego w Panamerze. VW stosuje przekładnie DSG we wszystkich popularnych markach swego koncernu, czyli Audi, VW, Seacie i Skodzie. W Bugatti Veyron, należącym również do VW, także występuje przekładnia dwusprzęgłowa. Ma ona jednak niewiele wspólnego z przekładniami DSG stosowanymi w samochodach osobowych. Tego typu przekładnie stosuje również Mercedes w swym sportowym modelu SLS AMG. Sportowe cechy tego typu konstrukcji potwierdza Mitsubishi oferując Lancera Evo X z technologią TC-SST (Twin Clutch Sportronic Shift Transmission). Wszystko wskazuje na to, że technologia ta przyjmie się na dobre w samochodach popularnych, a przynajmniej zdobędzie znaczącą część rynku. Zwiastunem tego są kolejne marki podążające szlakiem VW, np. Ford Mondeo z przekładnią PowerShift.