Σχέση μετάδοσης

Η σχέση μετάδοσης εκφράζει την αναλογία μεταξύ των ταχυτήτων περιστροφής δύο γραναζιών που εμπλέκονται μεταξύ τους και ορίζεται ως ο αριθμός των δοντιών του κινούμενου γραναζιού διά του αριθμού των δοντιών του κινητήριου, ή ισοδύναμα ως ο αριθμός των περιστροφών εισόδου που απαιτούνται για μία πλήρη περιστροφή εξόδου. Αποτελεί τη βασική έννοια πίσω από κάθε κιβώτιο ταχυτήτων, γιατί καθορίζει τον συμβιβασμό ανάμεσα στην ταχύτητα περιστροφής και στη δύναμη στρέψης, δηλαδή τη ροπή, σε κάθε σημείο της μετάδοσης. Σχέση μεγαλύτερη της μονάδας σημαίνει ότι η έξοδος περιστρέφεται πιο αργά από την είσοδο αλλά με αναλογικά μεγαλύτερη ροπή, ενώ σχέση μικρότερη της μονάδας κάνει το αντίθετο.

Η αρχή στηρίζεται στη διατήρηση της ενέργειας και στη γεωμετρία των εμπλεκόμενων δοντιών. Όταν ένα μικρό γρανάζι κινεί ένα μεγάλο, κάθε περιστροφή του μικρού προωθεί το μεγάλο μόνο κατά ένα κλάσμα της στροφής, οπότε το μεγαλύτερο γρανάζι γυρίζει αργά αλλά ασκεί μεγαλύτερη μόχλευση. Η ισχύς, ως γινόμενο ροπής και ταχύτητας περιστροφής, μένει σε γενικές γραμμές σταθερή πέρα από τις απώλειες τριβής, και γι' αυτό η ροπή μπορεί να πολλαπλασιαστεί μόνο με αντίτιμο την απώλεια ταχύτητας. Μια σχέση 3:1, για παράδειγμα, τριπλασιάζει περίπου τη ροπή μειώνοντας την ταχύτητα εξόδου στο ένα τρίτο.

Αυτό έχει σημασία επειδή ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης αποδίδει αξιοποιήσιμη ροπή μόνο σε ένα περιορισμένο εύρος στροφών, συνήθως μερικές χιλιάδες σ.α.λ. Μία και μοναδική σταθερή σχέση δεν θα μπορούσε ταυτόχρονα να ξεκινήσει ένα βαρύ όχημα από στάση και να του επιτρέψει οικονομική ταξιδιωτική ταχύτητα. Το κιβώτιο ταχυτήτων προσφέρει επομένως μια κλιμάκωση σχέσεων: οι χαμηλές ταχύτητες, με υψηλή αριθμητικά σχέση, πολλαπλασιάζουν τη ροπή για το ξεκίνημα και τις ανηφόρες, ενώ οι υψηλές ανταλλάσσουν αυτή τη ροπή με ταχύτητα, αφήνοντας τον κινητήρα να γυρίζει αργά και αθόρυβα σε σταθερή πορεία. Η κλιμάκωση μεταξύ των σχέσεων επιλέγεται έτσι ώστε ο κινητήρας να παραμένει κοντά στην αποδοτική του περιοχή καθώς αυξάνεται η ταχύτητα.

Οι επιμέρους σχέσεις του κιβωτίου δεν δρουν μόνες τους. Πολλαπλασιάζονται με τη σχέση της τελικής μετάδοσης, δηλαδή του διαφορικού, για να δώσουν τη συνολική σχέση μεταξύ κινητήρα και τροχών. Μια πρώτη ταχύτητα 3,5:1 σε συνδυασμό με τελική μετάδοση 4,0:1 δίνει συνολική υποπολλαπλασιαστική σχέση 14:1, ενώ μια έκτη με σχέση 0,8:1 μέσα από την ίδια τελική μετάδοση δίνει μόλις 3,2:1. Οι πιο μακριές σχέσεις, με τιμή κάτω από τη μονάδα, ονομάζονται υπερπολλαπλασιασμένες (overdrive) και υπάρχουν ακριβώς για να μειώνουν τις στροφές του κινητήρα σε χαλαρή, οικονομική ταξιδιωτική ταχύτητα στον αυτοκινητόδρομο.

Οι σχέσεις μετάδοσης επηρεάζουν επίσης την επιτάχυνση, την ικανότητα ρυμούλκησης και την κατανάλωση καυσίμου, παράμετροι που οι μηχανικοί πρέπει να εξισορροπήσουν. Οι πυκνά κλιμακωμένες σχέσεις κρατούν τον κινητήρα διαρκώς σε φόρμα για σπορ επιδόσεις, ενώ οι πιο αραιές ευνοούν την οικονομία και την άνεση. Η ίδια λογική ισχύει και για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, αν και αυτά αρκούνται συνήθως σε μία μόνο σχέση μείωσης, επειδή οι ηλεκτροκινητήρες τους αποδίδουν ισχυρή ροπή από μηδενικές στροφές. Η κατανόηση των σχέσεων μετάδοσης είναι επομένως το κλειδί για να ερμηνεύσει κανείς πώς κάθε όχημα μεταφέρει την ισχύ του στον δρόμο.