Přehledný průvodce převodovkami

Manuální převodovka

Začneme hezky zlehka klasickým ‚manuálem‘. Ozubené převodovky nejsou žádnou novinkou. Znali je staří Římané, boom zažily s průmyslovou revolucí a dodnes se používají v osobních i nákladních vozidlech. Princip je jednoduchý. Dvě ozubená kola se stejným modulem ozubení a různými průměry (různým počtem zubů) mají stejnou obvodovou rychlost, avšak rozdílnou úhlovou rychlost. Kdekdo je má na kole v podobě řetězového převodu, v autíčku na dálkové ovládání (DC motorky rády točí kolem 30 000 ot/min, čímž by vaše dítě s dostatečným rozjezdem snadno prorazilo zeď k sousedům) a dokonce i dámy, které o autě nic nevědí nějakou obdobu používají ve svých mixérech. Převodovka je tedy stroj, který mění vstupní otáčky a krouticí moment podle potřeb sestavy, do které je zabudován. V aplikaci se spojkou jsou pak typicky používané i v osobních automobilech.

Začněme spojkou: Současné spalovací motory, zejména nejrozšířenější pístové, ke své funkci potřebují neustálý chod. Pokud byste klikovou hřídel nastartovaného motoru zastavili, zastaví se i běh motoru, jak s oblibou dokazují strojovny TDI při snaze opustit křižovatku. Prostě to ‚chcípne‘. Když od motoru nečekáme pohyb, je nezbytné jej odpojit. Mezi převodovkou, která je napevno spojena s koly vozu a se setrvačníkem motoru, který je poháněn od klikové hřídele, je tudíž spojka na třecím principu, ovládaná zpravidla hydraulicky, podtlakem, stlačeným vzduchem nebo napřímo lankem, či táhlem od spojkového pedálu. Zmáčkneme spojku, motor se na volno protáčí a převodovka i s koly mohou zůstat v klidu. Jasné ne?

Tedy samotná skříň disponuje řadou, ozubených koleček. Nejčastěji používaná převodovka s předlohovým hřídelem má pak na dvou či třech hřídelích různé řady koleček, které do sebe zapadnou podle poloh hřídelí vůči sobě a mění tak výsledný převod. Například spojí šestnáctizubé kolo s osmizubým a vytvoří tak dvojnásobný převod dorychla. Zapojit lze různé kombinace, ať už z malého kolečka na velké pro nejnižší stupeň, či snad z velkého na menší pro vyšší stupně. Tak umožňuje převést úzký rozsah otáček motoru ve vysoký rozsah otáček kol, tedy použitelné cestovní rychlosti automobilu. Převodů máme v autě hned několik. Otáčky motorů, jak jsem již zmínil, jsou poměrně úzké. Využitelné rozmezí, kde spalovací motory pracují optimálně se liší dle jejich konstrukce, avšak optimum se zpravidla nachází někde od 3 000 – 6 000 ot/min pro zážehové motory (to jsou ty na benzín), případně v intervalu 1 000 – 3 000 ot/min u vznětových (naftové). Samozřejmě existují i výjimky. Třeba Wankelovy rotační motory zvládají bez potíží až 13 000 ot/min, ale to bychom se nikam nedostali, zůstaňme u běžné většiny.

Za motorem se zpravidla nachází spojka, umožňující odpojení motoru, zatímco jsou kola v klidu. U nákladních vozů pak následuje redukční převodovka, jenž umožňuje tzv. půlení otáček. Jednoduše si tak třeba trojku rozdělíte na dva stupínky, tedy 2,5 a 3, čímž opět zvýšíme uplatnění omezeného rozsahu otáček. Řeší se tak problém, kdy na trojku po odřazení ze dvojky nechce motor stoupat do otáček, a naopak ke konci optimálního rozsahu motoru nelze ještě zařadit čtyřku.

U osobních a terénních vozů předřazená redukce zpravidla chybí. Pak obyčejně následuje samotná převodovka. Nákladní automobily zpravidla využívají devítistupňové skříně (+ zpátečka) a osobní vozy se spokojí se šesti. U terénních vozů je za běžnou převodovkou zařazena ještě redukční skříň. Ta naopak přidává stupně před jedničku a umožňuje tak násobit krouticí moment za cenu snížených otáček kol. Usnadňuje tak pomalou jízdu terénem a zdolání náročných překážek. Terénní nákladní vozy pak mohou mít i kombinaci obou redukčních skříní, čímž nastává řidiči hotové peklo při volbě správného stupně, ale to je spíše záležitost historických těžkých tahačů než moderních vozů, protože u nich celou šlamastyku řeší převody stálé.

Stálé převody

Stálý převod je zjednodušeně soukolí, které nemění svůj převod. Neposouvají se tam žádná kolečka, a tak se používá k úpravě otáček a krouticího momentu pro kardany a kola, čímž se dá snížit rotující hmotnost a prodloužit životnosti hřídelí, či zvednout nápravy nad osu kol a zvýšit průchodnost terénem. Opět jde zejména o součástky v terénních a nákladních vozech. Má-li tedy moderní nákladní vůz upravený stálý převod před převodovkou, je možné s použitím předřazené redukční skříně posunout celý rozsah výstupních rychlostí směrem dolů. Jednička pak funguje obdobně jako redukovaný převod u teréňáku a používá se k rozjezdům s opravdu těžkým přívěsem, či do prudkého kopce. Doplňkem pak jsou redukované rychlosti pro speciální využití, např. k pojezdu stavebních strojů, či srovnání rychlosti s kombajny a silničními frézami, které jsou ještě před jedničkou, zpravidla označeny jako C (Crawl). Pokud náklaďák nemá plno, rozjíždí se obyčejně na trojku a odřadí si postupně až k osmičce, bez využití půlených převodů. Jen pozor, čím nižší celkový převod, tím vyšší odpory hnací soustavy, vyšší spotřeba a vyšší škody, když už se něco pokazí, či neplánovaně zastaví.

Zábavnou kreací na téma mechanická manuální převodovka je například ZiS 127, proudový autobus, který spojku nemá, jelikož turbína se může volně protáčet vůči hnacímu ústrojí a navrch je za motorem dvoustupňová nesynchronizovaná planetová převodovka, která díky stlačitelnosti vzduchu nepotřebuji při řazení srovnávat otáčky. Ale to už na Autíčkáři bylo.

Automatická převodovka HDM

Historicky nejstarší masově rozšířenou alternativou k manuální převodovce je hydroměničový automat. Vlastně funguje dost podobně, jako jakýkoliv generátor v nejbližší elektrárně. Motor je pevně spojen s pumpou, turbínou, která v okruhu vytváří pohyb kapaliny. Ta je hnána na turbínové kolo, které je připojeno k převodovce. Pokud je motor v nízkých a volnoběžných otáčkách, nemá kapalina hnaná pumpou dostatek energie, aby překonala odpory vozidla a přenesla točivý moment na turbínové kolo a roztočila převodovku. Vložená energie se tudíž maří a je třeba ji odvádět formou zbytkového tepla z hydroměniče. Jak otáčky stoupají, mění se rychlost oběhu kapaliny, ale i její směr.

Slyšeli jste někdy o toroidu? Je to matematicky popsaný útvar, který vznikne rotací kruhové plochy kolem osy vně kruhu. Ehm, představte si americkou koblihu. Tu, jak má rád Homer Simpson. Kobliha s dírou uprostřed je toroid. No a kapalina v hydroměniči vlastně obíhá po povrchu toroidu koblihy. Když automobil stojí, běhá dokola velkého průměru. Jako by opisovala hranu růžové polevy. Jen co se přidají otáčky pumpy, začne docházet k otáčení turbínového kola a kapalina díky tlačení na lopatky turbíny změní směr, jak prostupuje mezi lopatkami. Začíná tedy obíhat šikmo a blíží se dráze malého průměru. To je ta plocha, kterou uvidíte, když z koblihy půlku sníte a začnete se zajímat o náplň. Jakmile se otáčky pumpy přiblíží otáčkám turbínového kola, zapojí se do hry stator, který doposud jen nehybně čekal mezi dvěma koly a pomáhá směrovat kapalinu tak, aby se účinně přenášela výkon z pumpy na turbínu.

Z uvedeného vyplývá, že hydroměnič samotný nikdy nebude mít 100% účinnost. Tedy on i manuál maří vnitřními odpory něco z vloženého výkonu, ale ztráty hydroměniče jsou daleko citelnější. Zkuste si naschvál míchat svoje ranní kafe lžičkou co nejrychleji. Ať kvedláte, jak kvedláte, lžička bude vždy rychlejší než víření kafe. No, a to je ta ztráta hydroměniče. Naštěstí lze hydroměnič uzamknout, tedy pevně spojit pumpu a generátor, když se jejich rychlosti přiblíží. Tím se samozřejmě ztráty prokluzu eliminují, nicméně něco z energie se přeci jen odporoučí v podobě zbytkového tepla. Podle velikosti třecí spojky pro uzamykání měniče a plynulosti jejího ovládání můžeme postupně přecházet mezi ‚skoro manuálem‘ jako má současná Mzada 6 (malý měnič – velký spojka), až po ’úplně automat‘ jako ve starých Amerikách (Velký měnič, žádná spojka).

Za hydroměničem je pak planetová převodovka s oběžnými a soustřednými koly, jejíž funkci ovlivňují brzdy, malé klapačky, které blokují jednotlivá kola a mění tak výsledný převodový poměr. Ilustrace říká více než tisíc slov:

Automat CVT

Kontinuálně variabilní převod, pokud jste někdy dumali, co se za zkratkou CVT skrývá. Dnes ji najdete zejména v hybridních Toyotách, ale i v Hondách, stavebních strojích, skútrech, zkrátka všude, kde je automatická změna otáček důležitá, avšak není dostatek možností plýtvat výkonem, jako u hydroměniče. Další výhodou CVT je možnost kombinovat vstupy s různými otáčkami do jednoho výstupu, tudíž se báječně hodí pro hybridní soustavy, které mají měnící se otáčky spalovacího motoru a konstantní, několikanásobně vyšší otáčky elektromotoru. Základním, nejstarším principem jsou řemenové variátory. Vstupní a výstupní kladka jsou tvořeny páry kuželových ploch a přibližováním, či oddalováním se mění průměr, po kterém obíhá spojovací řemen.

Zajímavým prvkem jsou toroidní variátory. Nemůže u nich docházet k proklouznutí řemene, tudíž jsou vhodné i pro vysoké krouticí momenty. Najdete je v Nissanu Y31, bagrech, zemědělské technice. Dvě plochy spojené válečky mohou být spojeny na jejich různých průměrech, čímž se mění poměr vstupních a výstupních otáček a krouticích momentů. Nevýhodou je pak váha a praktická účinnost až od prostorově náročnějších provedení.

Posledním typem, který bych z různých provedení CVT chtěl zmínit, je elektronicky řízený variátor. Pro e-CVT, jaký dělávala vaše Toyota budete potřebovat: Jeden spalovací motor, nejlépe benzínový, který netrpí na časté startování. Elektrický generátor, pokud nemáte, postačí alternátor, dále elektromotor a konečně planetovou převodovku. Promísíme, scedíme a… No raději mrkněte na animaci, protože tohle se snad textem ani popsat nedá. Vtip je v tom, že spalovací motor může být poddimenzovaný, pokud se u něj nebudou příliš měnit otáčky. Každý spalovák má totiž optimální otáčky, ve kterých předává maximum výkonu, nevibruje a spotřebovává nejméně litrů paliva v poměru k vydané energii, tedy je nejúčinnější. Naopak účinnost elektromotorů není otáčkami příliš limitována. To až opravdu vysoké otáčky jim začnou vadit, ale jinak se ochotně sbírají už od nuly, navíc oproti spalovacím kolegům mohou úplně zastavit. Jsou tedy vhodné k doplnění pístových spalovacích motorů, které obyčejně potřebují trochu pomoci do optimálních otáček. No, a nakonec tu máme variabilní převod planetové převodovky, který mění poměr mezi zapojením motorů a upravuje finální převodový poměr.

Robotizovaný manuál

Ještě před rozšířením CVT a PDK převodovek byla jedinou možností, jak nacpat do malého nevýkonného městského přibližovadla automat, robotizovaná manuální převodovka. V některých případech si řidič může volit stupně sám a automat pouze ovládá klasickou třecí spojku, ale zpravidla všechny mají možnost plně automatického módu. Takhle na papíře to zní celkem dobře, v reálu to ovšem funguje…no…nefunguje. Ať se senzory a řídící jednotka snaží sebevíc, projev je trhavý a každé zařazení je značně cítit. Nejstarší systém, se kterým se současná generace motoristů mohla setkat byl v Citroënu 2CV, ale podobné systémy byly v CX (dokonce v kombinaci s hydroměničem). Porsche 911, či SAABu 900. Z moderních aut jmenujme třeba slavný Selespeed na palubách italských Alfa Romeo a Fiatů, či SensoDrive a EGS na palubách moderních Citroënů. Doteď si živě pamatuji zážitek z jízdy s modelm Cactus, vybaveným robotizovaným manuálem, který řadil buď pozdě, nebo brzy, přičemž vyluzoval rány srovnatelné jedině s kovářskou dílnou. Plynulost řazení pak připomínala zážitek z řetězové nehody na dálnici, kdy auto nejdříve cuklo dopředu při odpojení pohonu, načež po chvíli cuklo dozadu se zařazením další rychlosti. Naštěstí již francouzský výrobce přešel na konvenční hydroměniče, které dokonce patří k vůbec nejpovedenějším.

Automat PDK (DCT)

Doppelkupplungsgetriebe!  Ne, to není rozkaz popravčí četě gestapa, v angličtině by se dal přepsat jako Dual-Clutch Transmission a v rodné češtině znamená prostě dvou-spojková převodovka. Vlastně jde o takovou evoluci robotizovaného manuálu. Dvě převodovky mají, většinou, společné spojky, které jednu vyřazují ze záběru a druhou do záběru zároveň uvádějí. První převodovka obsahuje liché převody, druhá sudé. Je tak možné dosáhnou mnohem více rychlostních stupňů, velmi krátkého času přeřazení a téměř neznatelného poklesu v přenosu krouticího momentu. Právě poslední dva faktory mohou za rozšíření těchto skříni v posledních letech. Ačkoliv je s námi tato technologie již od třicátých let, do osmdesátek poháněla především zemědělské stroje. To až s nástupem monster rallye skupiny B začalo být stále důležitější nepřerušit otáčky turbodmychadla. Tak se sice těžší, ale ve finále vhodnější dvou-spojky, v rallye ovládané výhradně řidičem, prosadily právě pod německou zkratkou PDK nejdříve v Porsche 956 v Le Mans, poté v Audi Quattro S1. Časem si našly i cestu do osobních aut, kde díky téměř neznatelnému prokluzu při řazení a pevnému přenosu výkonu z motoru na kola prokázala vhodnost pro méně výkonné vozy. Tedy nejdříve se objevily ve sportovních verzích, V Porsche a Golfu R32, ale později měly oblíbené DSG, jak Volkswagen systém nazývá, i nejmenší přibližovadla. Že DSG začíná postupně ustupovat konvenčním hydroměničům vypovídá zejména o spolehlivosti, ale i uživatelském komfortu těchto skříní. Konečně, osobně mám při zmínění zkratek DSG, EDS (Renaultí obdoba), či 7DCT (Hyundai) osypky a takto vybaveným testovačkám se širokým obloukem vyhýbám.

Samozřejmě se dají najít různé poddruhy, či exotické alternativy ke zmíněným strojovnám, ale toto jsou převodovky, se kterými se setkáte na palubách dnešních vozů nejčastěji. A co že mě motivovalo k sepsání tohoto článku? Dostal jsem jej za trest, jelikož jsem v testu Fordu Galaxy kritizoval dvouspojkovou převodovku, kterou testovaná verze neměla a nahradila ji klasickým hydroměničem, jehož projev se chlubil všemi nectnostmi DCT. Nojo, stane se…

Ilustrace a fotografie: Wikmedia commons