Dopóki samochody będą napędzane silnikami spalinowymi, dopóty będą potrzebowały skrzyni biegów. Przyczyna takiego stanu rzeczy jest prosta do wyjaśnienia, bo każdy silnik spalinowy pracuje między minimalną a maksymalną prędkością obrotową. Gdyby brać pod uwagę samą prędkość jednostki napędowej, to przy jej prędkości obrotowej 6000 min^-1 samochód mógłby jechać z prędkością ponad 600 km/h. Jednak obecne silniki nie mają jeszcze takiej mocy, aby pokonać opory jazdy przy tych prędkościach.

Dzieje się tak dlatego, że w swoim zakresie prędkości roboczych silnik dostarcza tylko ograniczoną ilość momentu obrotowego. Przełożenia przekładni w skrzyni biegów zamieniają wysokie prędkości obrotowe silnika na zadane prędkości obrotowe kół. Zmniejszając prędkość silnika, zwiększają moment napędowy. Oznacza to, że na pierwszym, najniższym biegu możliwa jest tylko jazda z niską prędkością i wysokim momentem napędowym. Im więcej przełożeń ma skrzynia biegów, tym lepiej może dostosować moc silnika do danej sytuacji na drodze.

W przypadku przekładni skrzyni bezstopniowych usunięto sztywne sprzężenie między prędkością jazdy a prędkością obrotową silnika dla poszczególnych stopni przekładni. Takie rozwiązanie ma dwie zalety. Po pierwsze, przełożenie przekładni może być precyzyjnie dostosowane do charakterystyki pracy silnika. Dzięki temu uzyskuje się większą siłę napędową. Po drugie, przełożenie skrzyni biegów można regulować przy występującym, częściowym obciążeniu, tak aby praca silnika pozostawała w zakresie minimalnego zużycia paliwa.

Zbiorcze pojęcie „przekładnia bezstopniowa” obejmuje wiele koncepcji przekładni: mechaniczną, hydrostatyczną, hydrodynamiczną i elektryczną. W samochodach osobowych stosuje się dziś technologię Continuous Variable Transmission (ciągła zmienna transmisja), w której napęd przekazują dwie pary kół przekładni stożkowych i pasek ślizgowy lub łańcuch modułowy. Przekładnia CVT jest przekładnią mechaniczną podobnie jak przekładnia zębata. Z kolei przekładnia hydrostatyczna występuje głównie w pojazdach użytkowych (autobusy, ciągniki, pojazdy budowlane).

Hydrodynamiczne przekładnie bezstopniowe nazywane są również zmiennikami momentu obrotowego, są podstawowym elementem większości automatycznych skrzyń biegów. Bezstopniowe napędy elektryczne w motoryzacji praktycznie nie wyszły jeszcze poza fazę testów doświadczalnych.

Pasek lub łańcuch w skrzyni bezstopniowej

Utrwaliły się dwie techniki wykonania elementu opasującego pary kół przekładni stożkowych, dla przykładu:

• Honda i Fiat wykorzystują dobrze znane pasy dociskowe produkcji Van Doorne, 
• Audi i Subaru zdecydowało się na przekazanie napędu za pomocą łańcucha CVT LuK RepSet.

Pas dociskowy składa się z dwóch wielowarstwowych pasków, z których każdy składa się z kilku cienkich i bardzo wytrzymałych pierścieni stalowych. Dwa paski są spięte ze sobą za pomocą klamer stalowych.

W przekładni CVT Mercedes-Benz klasy A i B stosowano pas spięty za pomocą 400 klamer. Linki te przenoszą moc z pierwotnej do wtórnej pary przekładni stożkowych za sprawą siły docisku. Pasek napędowy jest obecnie w produkcji seryjnej obciążony maksymalnym momentem obrotowym o wartości 300 Nm.

W przypadku Audi łańcuch o ogniwach płytkowych był w stanie wytrzymać jeszcze większe momenty obrotowe. W tej technologii, która po raz pierwszy była przeznaczona do produkcji seryjnej w 1999 r., moc była przenoszona z par kół przekładni stożkowych na dwuczęściowe sworznie łańcucha poprzez tarcie.

Sworznie połączone są ze sobą płytkami łączącymi, które – w przeciwieństwie do ogniw pchających – przenoszą siły poprzez naciąg. Łańcuch płytkowy składa się z 75 par sworzni połączonych 1025 pojedynczymi płytkami..

Przekładnie z kołami stożkowymi

Najważniejszym elementem CVT są przekładnie stożkowe (główna i pomocnicza), zwane również wariatorami. Każda z przekładni składa się z jednego koła stożkowego, na stałe przymocowanego do wału i jednego, które może być przesuwane wzdłuż osi wału. Hydrauliczne siłowniki ciśnieniowe przesuwają podczas jazdy dwa ruchome koła stożkowe i w ten sposób zmieniają przełożenie.

Podczas rozruchu odległość między kołami stożkowymi jest duża na wale po stronie silnika i mała na wale po stronie osi. W tym stanie całkowite przełożenie jest niewielkie i przeznaczone do uzyskania maksymalnej siły napędowej – podobnie jak na pierwszym biegu skrzyni manualnej. Wraz ze wzrostem prędkości samochodu, hydraulika zmniejsza odległość między kołami stożkowymi po stronie silnika i zwiększa ją na parze po stronie osi. Zmienia to promień działania obu par przekładni stożkowych, a tym samym przełożenie.

Jednak nawet przekładnia CVT nie może obejść się bez biegów. Aby móc jechać na wstecznym biegu, zestaw do zmiany biegów w zależności od potrzeby przełącza napęd pary kół przekładni stożkowych. Podobnie jak w przypadku innych automatycznych skrzyń biegów CVT jest zwykle wyposażona w hydrauliczny zmiennik momentu obrotowego typu góra–dół, który zapewnia płynny rozruch.

Sterowane hydraulicznie i elektronicznie

W przypadku przekładni CVT zadania kierowcy i manualnej dźwigni zmiany biegów przejmuje elektroniczna jednostka sterująca. Na podstawie danych dotyczących jazdy i silnika oblicza ona optymalne przełożenie. Następnie reguluje ciśnienie oleju hydraulicznego w siłownikach ciśnieniowych tak, aby ruchome koła przekładni stożkowej znalazły się w żądanej pozycji.

Istotne jest, aby docisk był zawsze na tyle duży, aby pasek lub łańcuch nie ślizgał się między kołami stożkowymi. Także ciśnienie hydrauliczne nie może być zbyt wysokie, ponieważ spowoduje to niepotrzebne zużywanie mocy.

Zmienna prędkość obrotowa

W kolejnej fazie przełożenie skrzyni biegów jest korygowane w taki sposób, aby zoptymalizować jazdę i zużycie paliwa. Jeśli kierowca zdejmie nogę z gazu, wariator automatycznie ustawi wyższe przełożenie. Elektronika oferuje nawet możliwość zaprogramowania stałych przełożeń, dzięki czemu CVT rzeczywiście zmienia biegi jak skrzynia stopniowa, bez przerw w jeździe i szarpnięć podczas zmiany biegów.

Niektórzy producenci samochodów, np. Subaru, wyposażają nawet swoje przekładnie bezstopniowe w łopatki do zmiany biegów na kierownicy lub ręczne przełączniki w konsoli środkowej, pozwalając kierowcy na indywidualną zmianę „wirtualnych biegów”.

Jeśli CVT będzie eksploatowana podczas dłuższych okresów jazdy z myślą o oszczędzaniu paliwa, może się okazać, że jest bardziej oszczędna niż manualna skrzynia biegów. Bezstopniowa przekładnia umożliwia również uzyskanie szybszego przyspieszenia w porównaniu ze skrzyniami manualnymi, eliminuje szarpnięcie przy zmianie biegów i zwiększa komfort jazdy. Jedynie odgłos pracującego silnika wymaga pewnego przyzwyczajenia się kierowcy.

Przekładnia w hybrydzie

Zupełnie inaczej działa przekładnia bezstopniowa w wielu wariantach hybrydowych Toyoty. Bezstopniowa skrzynia biegów w trzeciej i czwartej generacji pojazdu Toyota Prius została wyposażona w dwie przekładnie planetarne. Silnik spalinowy jest połączony z jarzmem kół satelitarnych, generator – z kołem słonecznym, a silnik elektryczny – z kołem słonecznym drugiej przekładni planetarnej. Ta ma unieruchomione jarzmo satelitów, a połączona jest pierścieniami zewnętrznymi z pierwszą przekładnią planetarną.

Rozwiązanie konstrukcyjne układu napędu hybrydowego ma zwartą i innowacyjną budowę. Podzespoły układu napędowego zapewniają współpracę silnika spalinowego i dwóch maszyn elektrycznych.

Jak właściwie użytkować przekładnie bezstopniowe

Często bardzo ważne może być uświadomienie kierowców i klientów warsztatów, jak powinna wyglądać prawidłowa eksploatacja samochodu wyposażonego w tego typu przekładnie. Aby uniknąć uszkodzenia skrzyni biegów, należy regularnie wymieniać olej przekładniowy. Olej w automatycznej przekładni też się starzeje, może zostać zanieczyszczony, a także traci lepkość i smarowność w zależności od przebiegu lub stylu jazdy.

Szczególną cechą olejów do automatycznych skrzyń biegów są dodatki, które są dodawane do oleju bazowego. Udział dodatków zwiększa się wraz ze wzrostem jakości oleju – zapewniają one dłuższą żywotność, ale z czasem ulegają zużyciu. Zakłada się, że olej przekładniowy powinien być wymieniany co 80 000–100 000 km, przede wszystkim jednak należy to robić zgodnie z zaleceniami producenta. Zalecane przez producentów regularne wymiany oleju przekładniowego powinny być traktowane poważnie przez kierowców, ponieważ olej ten odpowiada za wzrost ciśnienia i smarowanie. Zignorowanie tych wytycznych naraża użytkowany samochód na szarpnięcia i ostatecznie rozerwanie pasa dociskowego.

Oprócz przestrzegania zalecanych wymian oleju przekładniowego należy także podczas jazdy zwracać uwagę na wiele innych rzeczy. W czasie jazdy w żadnym przypadku nie należy przestawiać dźwigni wyboru biegów w położenie P (parkowanie) lub nawet R (bieg wsteczny). Spowoduje to uszkodzenie skrzyni biegów. Na szczęście dla kierowców w większości przypadków nie jest to możliwe ze względu na kontrolę elektronicznych zabezpieczeń.

Powini oni również unikać zwiększenia obrotów silnika w pozycji N (neutralnej), niedopuszczalne jest też przy wysokich obrotach przełączanie dźwigni do przodu D (drive)

Skrzynia biegów nie jest przystosowana do takich obciążeń. Należy też zwracać kierowcom uwagę, aby na wzniesieniu zatrzymywali pojazd hamulcem, a nie momentem obrotowym silnika. Szkoda niepotrzebnie zużywać sprzęgło. Nie ma także powodu, aby przełączać się na N na światłach. Przekładnia bezstopniowa jest w stanie kompensować stałą prędkość obrotową silnika za pomocą szerokiej gamy systemów z dodatkowymi przekładniami planetarnymi lub za pośrednictwem zmiennika momentu obrotowego.

Koszt naprawy poważnie uszkodzonych przekładni zależy m.in. od rodzaju i liczby przełożeń oraz najczęściej jest bardzo wysoki – niejednokrotnie wyższy niż zakup używanego samochodu. Bardzo ważne jest więc uświadamianie kierowców.

Typowe problemy CVT

Użytkownicy samochodów wiele razy doświadczają w swoich problemów ze skrzyniami biegów. Mogą jednak nie zwracać na nie uwagi ze względu na nieświadomość lub niepewność. Jest wiele wczesnych sygnałów ostrzegawczych, na które należy zwrócić im uwagę, bo dzięki nim mogą uniknąć awarii przekładni i większych kłopotów.
Poniżej najważniejsze oznaki problemów z przekładnią CVT:

• Wyciek – różowawe ślady wycieku oleju świadczą o nieszczelności, która może generować problemy. Wycieki w skrzyni biegów CVT mogą pojawić się z około 20 zewnętrznych uszczelnień.
• Wibracje – buksowanie lub drżenie podczas dojeżdżania przy dużych prędkościach. Mogą mieć 2 przyczyny. Pierwsza to złe dostrojenie, a druga wynika z usterki w układzie przeniesienia napędu pojazdu. Obydwie wymagają kontroli w warsztacie.
• Opóźniona jazda – zauważalne jest wahanie się skrzyni biegów podczas włączenia trybu jazdy / umieszczenia dźwigni zmiany biegów w położeniu D lub R. Przyczyną może być niski poziom oleju przekładniowego (ubytek oleju), luźny pasek lub nieprawidłowo działające sprzęgło wewnętrzne.
• Zapach spalenizny – to znak przegrzewającej się skrzyni biegów lub przecieku oleju przekładniowego do układu wydechowego. Jeśli wynikiem jest przeciek, samochód wymaga natychmiastowego odstawienia do warsztatu.
• Poślizg skrzyni biegów to sytuacja, w której silnik pracuje szybko, ale cała moc nie jest przekazywana na koła. Może być wiele powodów poślizgu skrzyni biegów, więc również wymagane jest odstawienie samochodu do warsztatu, zanim sytuacja się pogorszy.

Manualne skrzynie biegów wciąż dominują na rynku samochodów osobowych. Jednak im wyższa klasa pojazdów, tym większy udział nieco droższych, ale wygodniejszych automatycznych skrzyń biegów. Przekładnie bezstopniowe są rozwiązaniem, które w pojazdach zajmują mniej miejsca i jednocześnie gwarantują większą oszczędność paliwa. Ich konstrukcja zapewnia też optymalne warunki pracy silnika.