Przełożenie

Przełożenie wyraża zależność między prędkościami obrotowymi dwóch zazębionych kół zębatych, definiowaną jako liczba zębów koła napędzanego podzielona przez liczbę zębów koła napędzającego, czyli równoważnie liczba obrotów wejściowych potrzebnych do uzyskania jednego obrotu wyjściowego. Jest to centralne pojęcie każdej przekładni zębatej, ponieważ wyznacza kompromis między prędkością obrotową a siłą obrotową, czyli momentem obrotowym, w każdym punkcie układu napędowego. Przełożenie większe od jedności oznacza, że wyjście obraca się wolniej niż wejście, lecz z proporcjonalnie większym momentem obrotowym, a przełożenie mniejsze od jedności daje efekt odwrotny.

Zasada opiera się na zachowaniu energii oraz geometrii zazębionych zębów. Gdy małe koło napędza duże, każdy obrót małego koła przesuwa duże tylko o ułamek obrotu, więc większe koło obraca się wolno, ale wywiera większą dźwignię. Moc, będąca iloczynem momentu obrotowego i prędkości obrotowej, pozostaje w przybliżeniu stała pomijając straty tarcia, dlatego moment obrotowy można zwielokrotnić jedynie kosztem utraty prędkości. Przełożenie 3:1 z grubsza potraja moment obrotowy, obniżając przy tym prędkość wyjściową do jednej trzeciej.

Ma to znaczenie, ponieważ silnik spalinowy wytwarza użyteczny moment obrotowy tylko w ograniczonym zakresie obrotów, zwykle kilku tysięcy obr./min. Pojedyncze stałe przełożenie nie pozwoliłoby zarazem ruszyć ciężkim pojazdem z miejsca i jechać oszczędnie z dużą prędkością. Skrzynia biegów oferuje więc wachlarz przełożeń: niskie biegi o wysokim przełożeniu liczbowym zwielokrotniają moment obrotowy do ruszania i pokonywania wzniesień, podczas gdy wysokie biegi wymieniają ten moment na prędkość, pozwalając silnikowi obracać się wolno i cicho podczas spokojnej jazdy. Stopniowanie biegów dobiera się tak, by silnik pozostawał blisko swojego sprawnego zakresu w miarę wzrostu prędkości jazdy.

Poszczególne przełożenia skrzyni biegów nie działają samodzielnie. Łączą się one mnożnikowo z przełożeniem przekładni głównej, czyli osi, dając łączne przełożenie między silnikiem a kołami. Pierwszy bieg 3,5:1 współpracujący z przekładnią główną 4,0:1 daje łączną redukcję 14:1, podczas gdy nadbieg 0,8:1 przy tej samej osi daje zaledwie 3,2:1. Najdłuższe biegi, o przełożeniach poniżej jedności, nazywa się nadbiegami i istnieją one właśnie po to, by obniżyć prędkość obrotową silnika podczas swobodnej, oszczędnej jazdy autostradowej.

Przełożenia wpływają również na przyspieszenie, zdolność holowania i zużycie paliwa w sposób, który konstruktorzy muszą wyważyć. Gęsto rozmieszczone przełożenia utrzymują silnik w optymalnym zakresie dla osiągów sportowych, a szeroko rozmieszczone sprzyjają ekonomii i kulturze jazdy. Ta sama logika dotyczy pojazdów elektrycznych, choć zwykle potrzebują one tylko jednego przełożenia redukcyjnego, ponieważ ich silniki wytwarzają silny moment obrotowy już od zera obr./min. Zrozumienie przełożeń jest zatem kluczowe dla pojęcia, w jaki sposób dany pojazd przenosi moc na drogę.