Leniwi ludzie i pracowite samochody. Jakie czynności wykonują za nas? [MOTO 2030]

Łukasz Kifer
Na prawdziwą autonomiczną jazdę jeszcze trochę poczekamy, ale samochody ruszyły w tę stronę bardzo dawno temu. Już na samym początku motoryzacji. Dlaczego? Bo ludzie bardzo lubią, kiedy maszyny wyręczają ich w pracy.

MOTO 2030 to copiątkowy cykl Gazeta.pl, w którym poruszamy najważniejsze tematy dotyczące przyszłości motoryzacji, transportu, technologii. Samochody, drogi i miasta bardzo dynamicznie zmieniają się na naszych oczach. Co piątek dziennikarze Moto.pl będą o tych zmianach pisać. Tutaj znajdują się wszystkie artykuły z cyklu MOTO 2030.

Jeśli przyjrzeć się współczesnym samochodom dokładnie, okaże się, że samodzielnie wykonują wiele czynności i to od dekad. Elektroniczne, a wcześniej mechaniczne i hydrauliczne układy w autach pracują za nas w pocie czoła albo co najmniej nam wydatnie pomagają. Co w czasie jazdy dzieje się automatycznie i od czego się wszystko zaczęło?

Auta nas wyręczają od zarania motoryzacji, a na taki pomysł wpadli oczywiście Amerykanie. Pierwsze automatyczne skrzynie biegów pojawiły się już na początku XX wieku, chociaż nie od razu były udane. To Henry Ford wdrożył do produkcji skrzynię biegów z przekładnią planetarną, ale w słynnym modelu T dwa biegi zmieniane były ręcznie. Albo raczej nożnie, bo pedałami.

Reklama skrzyni Hydramatic z 1940 rokuReklama skrzyni Hydramatic z 1940 roku fot. GM

Hydramatic z Oldsmobile'a to legenda

Skrzynia biegów Hydramatic ze sprzęgłem hydrokinetycznym łączącym ją z silnikiem została wymyślona przez Gastona Fleischa i kupiona przez Oldsmobile'a. Na pamiątkę tego wynalazku automatyczne skrzynie koncernu General Motors do tej pory noszą nazwę Hydramatic.

To pierwsza automatyczna skrzynia biegów używająca zespołu przekładni planetarnych i sterującego nimi rozwiązania, które było niewrażliwe na falowanie momentu obrotowego i nie powodowało zbyt dużych strat mocy. Krótko mówiąc: działało, jak trzeba.

Wynalazek, okazało się doskonały, szybko zaczęli stosować wszyscy amerykańscy producenci samochodów. Wkrótce rozprzestrzenił się na cały świat, chociaż Europejczycy do niedawna podchodzili sceptycznie do tego rozwiązania.

Z czasem automaty stawały się coraz sprawniejsze. W latach 60. ubiegłego wieku zaczęto stosować sterowanie elektryczne, a potem elektroniczne, co znacznie zwiększyło możliwości zarządzania pracą takich skrzyń biegów.

Skrzynie planetarne wyparły inne rozwiązania, ale właśnie wracają

Dopiero niedawno automatyczne skrzynie biegów o planetarnej konstrukcji popadły w niełaskę. Stało się tak z powodu opracowania dwusprzęgłowej przekładni DSG (Direct-Shift Gearbox, Directschaltgetriebe). Pierwszym seryjnie produkowanym samochodem, w którym jej użyto, był sportowy Volkswagen Golf R32 z 2003 roku.

Volkswagen Golf R32Volkswagen Golf R32 fot. VW/Kent Mears

I znów po kilku latach większość producentów miała podobne rozwiązania w swojej ofercie. Dwusprzęgłowe skrzynie biegów na jakiś czas wyparły klasyczne planetarne automaty, zwłaszcza w środkowym pod względem cen segmencie aut.

Jedyną wadą tego typu skrzyń był ograniczony moment obrotowy, który potrafiły przenieść w porównaniu z przekładniami planetarnymi. Z kolei w najtańszych samochodach coraz częściej pojawiały się skrzynie biegów, które zmieniały swoje przełożenie, czyli CVT.

To rozwiązanie, które nie wymaga stosowania kilku biegów. Zamiast tego ma jeden płynnie zmieniający się bieg. Taka skrzynia po głębokim wciśnięciu gazu utrzymuje silnik na obrotach, przy których osiąga maksymalną moc. Z tego powodu kierowca nie słyszy rosnących obrotów silnika, zamiast tego zmienia się przełożenie.

Ze względu na ten nietypowy sposób pracy kojarzący się raczej ze skuterami zostały znienawidzone przez wielu kierowców, ale to bardzo dobre rozwiązanie w tańszych samochodach. Z powodu wzrostu popularności skrzyń typu CVT i DSG klasyczne automaty były w regresie przez prawie 20 lat.

Inżynierowie z wielu firm motoryzacyjnych twierdzą, że właśnie powracają i to w wielkim stylu. Skrzynie biegów DSG powoli osiągają szczyt swoich technicznych możliwości, rozwiązania CVT wciąż nie są zbytnio lubiane przez użytkowników, a dopracowanie konstrukcji planetarnych przekładni sprawiło, że odkryto w nich jeszcze duże rezerwy.

Niedługo samochody nie będą potrzebowały skrzyń biegów

Jak będzie wyglądała przyszłość automatycznych skrzyń biegów? Przez kilkanaście lat będą triumfowały różne przekładnie planetarne, również w samochodach hybrydowych. Dobrym przykładem jest patent koncernu Toyota myląco nazwany e-CVT. Wprawdzie taka skrzynia zmienia płynnie przełożenie końcowe, ale ma budowę planetarną i nic wspólnego z zasadą działania wariatora, która jest podstawą konstrukcji klasycznej przekładni CVT.

Za jakiś czas skrzynie biegów praktycznie znikną z samochodów. Sprawi to wzrost popularności silników elektrycznych. Z racji swoich właściwości - maksymalnego momentu osiąganego w całym zakresie obrotów - zmiana przełożenia nie jest konieczna. Pozwala to uprościć konstrukcję samochodu, obniżyć jego masę oraz cenę.

Skrzynie biegów przetrwają wyłącznie w najdroższych i najmocniejszych samochodach elektrycznych. Dobrym przykładem jest Porsche Taycan, które mimo że nie jest to niezbędne, ma dwa biegi. Pozwalają pokonać ograniczenie prędkości maksymalnej wynikające z zakresu obrotów silników elektrycznych i dodatkowo nieco zwiększyć zasięg.

Jensen FFJensen FF fot. Jensen

W tańszych samochodach elektrycznych w ogóle nie będzie skrzyń biegów. To znaczy będą, ale w najprostszej wersji ze stałym przełożeniem. Technicznie niemal każdy samochód przekazuje moment obrotowy silnika, używając jakiejś przekładni. Ale w popularnym znaczeniu tego terminu skrzynie biegów odejdą w niebyt. Wykończą je samochody na prąd.

Co jeszcze robi za nas samochód? Mnóstwo rzeczy

Jeśli kogoś zaskoczyła data powstania pierwszych automatycznych skrzyń biegów, będzie jeszcze bardziej zdziwiony historią ABS-u. Otóż pierwsze pomysły na ten system zapobiegający blokowaniu się kół w czasie hamowania zostały opracowane w 1908 r. W 1920 roku pionier motoryzacji i lotnictwa Gabriel Voisin wynalazł działający układ tego typu właśnie do samolotu.

Przy okazji warto wyjaśnić pewnie nieporozumienie dotyczące systemów ABS. One nie służą skracaniu drogi hamowania, tylko zapobiegają poślizgowi kół wywołanemu przez zbyt mocne działanie hamulców. Dzięki temu pojazd w czasie hamowania zachowuje sterowność i można ominąć przeszkodę albo nie wypaść z drogi.

Owszem, w wielu sytuacjach ABS skraca drogę hamowania, ale w niektórych wręcz przeciwnie - zauważalnie ją wydłuża. Tak czy inaczej to efekt uboczny, a nie podstawowa funkcja tego układu. Do motoryzacji ABS trafił znacznie później niż do lotnictwa, bo dopiero w latach 60. XX wieku.

Pierwszym autem wyposażonym w mechanicznie działający ABS był brytyjski samochód Jensen FF z lat 1966-1971, w którym zastosowano rozwiązanie Dunlop Maxaret. Przy okazji Jensen FF to pierwszy samochód szosowy, w którym zastosowano napęd na cztery koła.

ABS to rozwiązanie opracowane dla lotnictwa

Elektroniczna wersja ABS zadebiutowała w... ponaddźwiękowym samolocie pasażerskim Concorde, a w samochodach pojawiła się 1971 roku. Pierwszy taki układ miał Chrysler Imperial, ale wkrótce później pojawił się i w innych amerykańskich autach. Za to europejski Mercedes-Benz W116 z 1978 roku był pierwszym samochodem na świecie z czterokanałowym systemem ABS produkcji Bosch, działającym niezależnie w przypadku każdego koła.

Elektronika pomaga nam też przyspieszać oraz skręcać i to od 1983 roku. Pierwsze układy kontroli trakcji zwane TCS lub ASR (Traction Control System/Antriebsschlupfregelung) montowano w autach Mercedesa, BMW i Toyoty. Korzystając z pomocy układu hamulcowego i czujników ABS, zwalniały koła ślizgające się w czasie przyspieszania na śliskiej nawierzchni, gdy kierowca zbyt śmiało wciskał pedał gazu.

Testy układu ABS w Mercedesie W116Testy układu ABS w Mercedesie W116 fot. Daimler AG

Rozwinięciem układu TCS jest ESP/ESC, w który Bosch zaopatrywał flagowego Mercedesa S 600 Coupe (C140) od 1993 roku. Ten genialny system uratował już setki tysięcy żyć, wydatnie poprawiając aktywne bezpieczeństwo. Chodzi o sytuacje, kiedy kierowca jeszcze ma wpływ na to, czy wypadek się zdarzy, czy go uniknie.

Systemy bezpieczeństwa biernego wchodzą w grę, gdy kraksa jest nieunikniona i służą minimalizowaniu jej skutków. Metoda działania układów stabilizacji toru jazdy zwanych ogólnie ESP od rozwiązania Boscha jest bardzo sprytna. Używając hamulców poszczególnych kół i elektrozaworów modulują siłę ich działania w podobny sposób jak ABS i korygują tor jazdy.

Układ ESP skręca używając hamulców

Układ stabilizacji toru jazdy na podstawie sygnałów pochodzących z różnych źródeł (m.in. czujników położenia kierownicy, kół, pedału gazu, czujnika przyspieszenia bocznego) wykrywa zakładany tor jazdy i odpowiednio zmienia kierunek auta w poślizgu, błyskawicznie przyhamowując odpowiednie koło. W przypadku wystąpienia podsterowności (wyjeżdżania przodu auta na zewnątrz zakrętu) ESP zwykle uruchamia hamulec wewnętrznego tylnego koła.

Gdy ESP ma do czynienia z zachowaniem nadsterownym (wyjeżdżaniem tyłu) przyhamowuje zewnętrzne przednie koło. W ten sposób ESP niweluje tendencję auta do obrócenia się wokół własnej osi i sprawia, że wraca na zamierzony tor jazdy.

Poślizg boczny powoduje różnica sił odśrodkowych działających na koła samochodu. One wywołują moment obrotowy, który wygaszają układy ESP. To bodaj najważniejszy wynalazek w historii współczesnej motoryzacji, przynajmniej do czasu opracowania w pełni autonomicznego samochodu.

Dr. Ir. Anton van Zanten z Bosch odpowiedzialny za wprowadzenie układu ESC/ESP w Mercedesie S 600 C140Dr. Ir. Anton van Zanten z Bosch odpowiedzialny za wprowadzenie układu ESC/ESP w Mercedesie S 600 C140 fot. Mercedes/Challenge GmbH

Od wielu lat samochody włączają za nas też wycieraczki i światła. Pierwsze automatyczne wycieraczki pojawiły się w pięknym Citroenie SM z silnikiem Maserati, a czujniki deszczu w kabrioletach koncernu General Motors z lat 50. ubiegłego wieku. Służyły do automatycznego zamykania szyb i dachu.

Współczesny czujnik deszczu korzysta z fizycznego zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia światła, które zakłócają krople padające na szybę. Wykrywa je zestaw składający się z LED i fotodiody. Automatyczne światła są uruchamiane po zmroku albo w czasie deszczu przez czujniki światła.

W najnowszych samochodach, w których reflektory są skonstruowane z diodowych i sterujących światłem mikroluster, jest możliwe wygaszanie poszczególnych stref świetlnych, a nawet "malowanie" światłem obrazów.

Z lenistwa powstają najlepsze rozwiązania

Automatycznie działające wycieraczki czy światła brzmią banalnie, ale nie można bagatelizować ich znaczenia. Wydatnie przyczyniają się do poziomu bezpieczeństwa jazdy w trudnych warunkach, kiedy kierowca nie musi szukać włączników i odrywać rąk od kierownicy, a zamiast tego może skupić się na jeździe.

Kolejnym tego typu urządzeniem jest tempomat utrzymujący stałą prędkość i stosowany w samochodach od... 1900 roku. Stał się bardzo popularny w amerykańskich autach po II wojnie światowej. Pozwala odciążyć prawą nogę oraz zmniejszyć zużycie paliwa i opon.

Citroen SMCitroen SM fot. Patrick Ernzen/M Sotheby's

Do niedawna to były wszystkie podstawowe rozwiązania elektroniczne wykonujące za kierowców czynności w czasie jazdy. Dopiero w ostatniej dekadzie ruszył się lawinowy rozwój takich układów. Tempomaty stały się coraz bardziej aktywne. Utrzymują stałą odległość za jadącym przed nami pojazdem, a nawet skręcają razem z pasem ruchu.

Rozwój układów scalonych i postępująca automatyka, wypieranie hydraulicznych rozwiązań przez elektromechaniczne sprawia, że coraz więcej samochodowych podzespołów zaczyna żyć własnym życiem. Tę pełzającą rewolucję z początku trudno było zauważyć, ale z perspektywy czasu łatwo się zorientować, że rozwój samochodów w kierunku autonomicznym rozpoczął się dawno temu.

Niedługo nastąpi jego kulminacja. Już teraz najnowsze auta rozpoznają znaki drogowe, widzą pieszych na jezdni oraz inne samochody. Zanim się zorientujemy, zaczną wykorzystywać te informacje w praktyce. Wtedy nagle okaże się, że jeżdżą samodzielnie i... robią to lepiej od nas.

Tesla Model STesla Model S fot. Tesla