PARTNERZY PORTALU
  • partner portalu farmer.pl
  • partner portalu farmer.pl
  • partner portalu farmer.pl

CVT - rozwiązanie idealne?

Autor: Grzegorz Szularz

Dodano: 23-07-2016 08:22

Tagi:

W poprzednich wydaniach "Farmera" zajmowaliśmy się przekładniami stopniowanymi - od tych najprostszych i najstarszych po nowoczesne przekładnie typu powershift. Dało się zauważyć, że niezależnie od wersji konstruktorom każdej nowej przekładni przyświecał jeden cel - zwiększenie liczby przełożeń. Gdzieś jednak musiała być granica - głównie gabarytowa. Nie oznacza to jednak, że dalsze zwiększenie liczby przełożeń jest niemożliwe. Wręcz przeciwnie. Istnieje sposób, by od razu osiągnąć górną granicę - nieskończoną liczbę przełożeń.



Od stworzenia koncepcji i pierwszych projektów przekładni o ciągłym, czyli bezstopniowym przełożeniu, przez projekty Leonarda da Vinci minęło już przeszło pięć wieków. Jednakże dopiero w erze pary, wraz z pojawieniem się pierwszych maszyn oraz pojazdów, których napęd nie pochodził od żywej siły pociągowej, problem doboru przełożeń przypomniał ludzkości o konieczności stosowania przekładni.

CVT to nie nowość

Historycznie zalążkami próby rozwiązania tego problemu stało się wprowadzenie dwóch typów przekładni: CVT oraz IVT (która często jest klasyfikowana jako wariant tej pierwszej, choć nie jest to do końca zgodne z prawdą). CVT to skrót od angielskiego terminu: continuously variable transmission, co można przetłumaczyć jako "przekładnia o ciągłym przełożeniu", zwana potocznie wariatorem - od jednego ze składowych elementów, którym jest właśnie wariator. Drugą przekładnią jest IVT - od infinitely variable transmission, co oznacza dokładnie "przekładnię o nieskończonej liczbie przełożeń".

Koncepcje tych konstrukcji wywodziły się z trzech podstawowych założeń: przeniesienia dużego momentu obrotowego przy jak najmniejszych prędkościach jazdy oraz możliwości regulacji przełożenia w trakcie ruchu maszyny bez konieczności stosowania sprzęgieł czy zatrzymywania silnika. W najprostszych z możliwych wariantów obie te przekładnie nie stanowią większego wyzwania ani pod względem konstruktorskim, ani wykonawczym.

W uproszczeniu: przekładnia CVT składa się dwóch par kół stożkowych zamontowanych na równolegle ustawionych osiach, połączonych ze sobą cięgnem wykonanym z elastycznego materiału (skóry, tworzywa sztucznego) lub w rozwiązaniach bardziej obciążonych - wielorzędowego łańcucha.

Jedna para kół jest zamontowana w sposób umożliwiający ich przesuw wzdłuż osi. Gdy zaczniemy tę parę rozsuwać, średnica okręgu, po którym obtacza się cięgno, ulegnie zmniejszeniu. Natomiast dosunięcie kół do siebie spowoduje zwiększenie średnicy.

Dzięki temu powstaje różnica średnic niezbędna do uzyskania przełożenia innego niż pierwsze. W zależności od stosunku średnic (jedna jest stała, drugą możemy regulować) uzyskujemy różne przełożenia.

Przekładnię IVT można w uproszczeniu przedstawić jako dwa dyski zamontowane na osiach ustawionych prostopadle względem siebie, tak że jeden z dysków może obtaczać się po powierzchni drugiego. Droga, jaką musi pokonać mniejszy dysk, zależy od tego, w którym miejscu wypadnie punkt współpracy.

Jeżeli umożliwimy przesuw dysków względem siebie, otrzymamy przekładnię o nieskończonej liczbie przełożeń. I właśnie takie przekładnie cierne jako pierwsze znalazły zastosowanie w parowych, pociągowych maszynach rolniczych.

O ile wczesnych przekładni CVT nie stosowano tak powszechnie w napędach maszyn rolniczych czy roboczych, o tyle przekładnie cierne można było spotkać w wielu rozwiązaniach. Już w 1907 r. amerykańska firma International Harvester Company (obecnie część koncernu CNH Industrial) zaprezentowała swój ciągnik IHC Friction Drive 20 HP wyposażony w cierną przekładnię bezstopniową. Obecnie przekładnie cierne możemy spotkać w wielu modelach ręcznych samobieżnych odśnieżarek oraz starszych kosiarkach ogrodowych. Natomiast przekładnie CVT są powszechnie stosowane np. w użytkowym pojeździe Gator produkowanym przez Johna Deere’a oraz wielu modelach samochodów osobowych.

W przypadku późniejszych maszyn rolniczych napędy bazujące na przekładniach CVT i IVT całkowicie przegrały w starciu z rozwijającymi się przekładniami zębatymi, które choć miały bardziej złożoną budowę, nie wymagały aż tak wytrzymałych materiałów, przy czym zapewniały o wiele łatwiejszą obsługę i znacznie dłuższe przebiegi, co w początkowej fazie mechanizacji rolnictwa odegrało kluczową rolę. Wraz z pojawieniem się pierwszych samojezdnych produkowanych seryjnie kombajnów zbożowych udział przekładni CVT nieznacznie wzrósł. Co jakiś czas pojawiały się różne eksperymentalne konstrukcje, chociażby International Harvester, David Brown czy Fendt, za sprawą którego w latach 90. XX w. nastąpił prawdziwy przełom.

Przełom za sprawą vario

Przełomowy okazał się rok 1995. Oto pojawił się Fendt 926 wyposażony w nową przekładnię Vario, która sprawiła, że koncepcja przekładni bezstopniowych na dobre zawitała do ciągników rolniczych. W przypadku ciągników liczba 100 tys. jest wartością dość znaczącą, zaś gdy powiążemy ją z zupełnie nowym układem napędowym, jakim był Vario, zaczyna nabierać wręcz imponującego rozmiaru, zwłaszcza zważywszy na dość sceptyczne podejście użytkowników maszyn do wszelkich nowinek mogących wygenerować niepotrzebne koszty. Mimo to powrót do początków i zaoferowanie rolnikom możliwości bezstopniowej regulacji przełożenia okazały się strzałem w dziesiątkę.

Wspomniany Fendt od 2009 r. ma w ofercie kilkanaście modeli ciągników, które sprzedaje z nowymi generacjami przekładni Vario. Nie są to jedynie maszyny o mocach powyżej 250 KM, jak to było na samym początku, ale również ciągniki kompaktowe o mocy 70 czy 80 KM. Impuls, jakim był sukces przekładni Vario, wpłynął także na innych producentów i dziś niemal każdy liczący się producent ciągników ma w swojej ofercie napęd z przekładnią bezstopniową.

Przekładnie bezstopniowe możemy spotkać także w innych maszynach, takich jak ładow ar ki czy kombajny.

Czym właściwe jest C V T?

Najczęściej w maszynie z przekładnią bezstopniową mamy do czynienia z dwoma podstawowymi elementami: przekładnią planetarną i przekładnią hydrostatyczną o zmiennym przełożeniu, które razem tworzą układ napędowy będący tak naprawdę swoistym napędem hybrydowym. Jest to niemal identyczne rozwiązanie, jakie znajdziemy chociażby w hybrydowych modelach Toyoty, z tym że w ciągniku zamiast silnika elektrycznego mamy silnik hydrauliczny, co w technice określa się mianem hydrostatycznej przekładni bezstopniowej hCTV (rzadziej jako IVT).

W owej konstrukcji nie występuje wariator, który nijako jest utożsamiany z przekładniami CTV, a który wielu oskarża o bycie najsłabszym ogniwem, przysparzającym niebotycznych kosztów serwisowych. To byłaby prawda, gdyby chodziło o zwykłe przekładnie CVT w samochodach, w których faktycznie zużywający się łańcuch jest dość drogim elementem. W maszynach rolniczych za "powstanie przełożenia" jest odpowiedzialny wspominany duet: przekładnia planetarna-przekładnia hydrostatyczna.

Zaś w kwestii wytrzymałości dobrym przykładem przemawiającym na korzyść tego typu rozwiązań jest chociażby czołg Typ 10 produkcji Mitsubishi Heavy Industries, w którym układ napędowy stanowi właśnie bezstopniowy hydrostat z przekładnią planetarną.

Bez względu na nomenklaturę nas interesuje najbardziej to, w jaki sposób w takim napędzie powstaje przełożenie? I dlaczego właściwie mówimy, że jest ono ciągłe i w dodatku nieskończone?

Przekładnia planetarna, pompa i silnik - po prostu!

Warto przypomnieć sobie właściwości przekładni planetarnej - tej najprostszej, czyli utworzonej przez pojedynczy szereg, w skład którego wchodzą zaledwie cztery podstawowe elementy - koła zębate: słoneczne, obiegowe, koronowe oraz jarzmo. Zasadę działania przekładni planetarnej omawialiśmy w poprzedniej części. Istotą jej działania jest fakt, że aby w ogóle nastąpiło przeniesienie momentu, musi nastąpić zablokowanie jednego z jej elementów. W klasycznej przekładni automatycznej poszczególne elementy są blokowane za pomocą hamulców, tak więc ich prędkość ma charakter "0-1". W przypadku przekładni eCTV możemy regulować siłę blokującą dany element. Jak? Tu wkracza hydrostat, czyli połączenie silnika hydraulicznego o zmiennej chłonności i pompy o zmiennym wydatku.

Załóżmy, że koło słoneczne, z którego odbieramy napęd na koła maszyny, jest sprzężone z silnikiem hydraulicznym. Silnik hydrauliczny jest zasilany przez pompę, która odbiera napęd z koła koronowego. Zaś moment obrotowy do przekładni jest doprowadzony za pomocą jarzma. Gdy silnik spalinowy pracuje, a pompa i silnik hydrauliczny pozostają w pozycji neutralnej (nie pracują), szereg planetarny może obracać się swobodnie, czekając na polecenia operatora. Gdy ten zechce ruszyć, pompa zacznie wychylać się w położenie pracy i rozpocznie tłoczenie oleju w kierunku silnika hydraulicznego, również wychylonego do pozycji pracy. Rozpoczyna się hydrauliczne przekazywanie mocy na koło słoneczne i koła maszyny. Równocześnie pompa zaczyna być obciążona, co powoduje powstawanie oporów na kole koronowym, z którego odbiera swój napęd. Operator dalej przyśpiesza, a pompa i silnik kontynuują wychył w kierunku maksymalnego położenia, czyli maksymalnej chłonności (silnik) i wydatku (pompy). To powoduje, że coraz więcej mocy przepływa zarówno przez układ hydrauliczny, jak i sam szereg planetarny, gdyż stale rośnie moment oporowy na kole koronowym wywoływany przez pompę. To właśnie pompa zaczyna pełnić rolę hamulca, który spowalniając koło koronowe, powoduje powstawanie przełożenia. A jako że dzieje się to płynnie, również przełożenie jest płynne - ciągłe.

Gdy silnik hydrauliczny osiągnie swoją maksymalną moc, zaczyna wywierać wystarczający opór w pompie, by ta zatrzymała się, hamując jednocześnie ruch koła koronowego.

Tak otrzymujemy pełne sprzężenie silnika z kołami, a nasz układ działa dokładnie tak, jak zwykła przekładnia planetarna. Moc płynie od jarzma, przez satelity za pośrednictwem nieruchomego koła koronowego, prosto do koła słonecznego, z którego jest odbierana przez wał napędowy kół. Wówczas moc jest przenoszona tylko za pośrednictwem układu mechanicznego z bardzo wysoką sprawnością.

Jeżeli postanowimy zwolnić, koło koronowe zacznie się obracać w wyniku stopniowo spadającego momentu silnika hydraulicznego, a więc i momentu oporowego w pompie. Rola układu hydraulicznego jest więc kluczowa dla poprawnego działania całej przekładni ium ożliwia sterowanie przełożeniem.

Specjalne wymagania

W porównaniu z omawianymi w poprzednich artykułach przekładniami stopniowymi przekładnie hCTV mają najwyższe wymagania dotyczące oleju, zarówno pod względem interwałów jego wymiany, jakości, jak i stanu filtrów. Zaniedbanie może doprowadzić do druzgocąco wysokich kosztów naprawy.

Serwisowanie nie jest jednak uciążliwe, gdyż przeważnie wspomniane interwały wymiany oleju są podobne do tych w skrzyniach powershift.

Również koszty olejów są zbliżone i o ile w latach 90. i na początku XXI w. eksploatacja ciągnika z przekładnią eCVT była wyraźnie droższa, o tyle teraz koszty utrzymania względem klasycznego powershifta są zbliżone.

Oczywiście, poza wymienionymi głównymi elementami nadającymi wyjątkowy charakter przekładni bezstopniowej w skład układu standardowo wchodzi wiele elektrozaworów, komputerów sterujących, czujników, a także dodatkowych bardzo prostych przekładni, które dają kolejne przełożenia (zakresy). Awaryjność tych komponentów nie jest większa niż w przypadku bloków sterując yc h przekładniami powershift.

Mocne i słabe strony "bez stopniówki"

Podstawową korzyścią, jaką daje użytkownikowi przekładnia bezstopniowa, jest możliwość precyzyjnego dopasowania przełożenia tak, aby uzyskać jak najbardziej ekonomiczną prędkość bez względu na wykonywaną pracę. Stąd bierze się znacznie mniejsze zużycie paliwa w stosunku do innych przekładni oraz wręcz niesamowity komfort użytkowania. Dodatkowo płynna zmiana przełożenia korzystnie wpływa na wolniejsze zużywanie się pozostałych elementów układu napędowego: zwolnic, wałów, piast itd. Dzieje się tak w wyniku braku nagłych uderzeń mocy, jakie powstają podczas wysprzęglania i zmian przełożenia w klasycznej przekładni.

Wspomniana nieskończona liczba przełożeń, jest konsekwencją owej ciągłej zmiany przełożenia. W klasycznej przekładni mamy określoną liczbę biegów, każdy przy określonej prędkości obrotowej silnika umożliwia jazdę z konkretną prędkością i pracę z konkretnym momentem. W przypadku przekładni bezstopniowej przełożenie zmienia się w sposób ciągły, a to sprawia, że "biegów" jest w praktyce nieskończona ilość. Komputer umożliwia dostosowanie przedziału tych przełożeń do wykonywanego zadania, co użytkownikowi jest przedstawione w postaci trybów pracy, których zazwyczaj jest kilka:

  • ręczny - pozwala samodzielnie dobrać parametry jazdy w zależności od pracy, jaką chcemy wykonać;
  • ekonomiczny - obroty silnika pozostaną stałe, dokładnie w zakresie maksymalnej wydajności i minimalnego spalania.
    Zmianą prędkości jazdy zajmą się komputer i przekładnia (prędkość obrotowa wału napędzającego koła może być płynnie regulowana);
  • maksymalnej wydajności - komputer dobiera wszystkie parametry tak, aby dla zadanej prędkości jazdy (ustawionej na tempomacie) ciągnik dysponował maksymalnymi osiągami.

W niektórych rozwiązaniach przewidziano także możliwość programowania swoich prędkości, np. w przekładni John Deere AutoPowr można zaprogramować wybrane przez siebie prędkości na zakresach.

Oprócz trybów wiele przekładni oferuje także dodatkowe zakresy wynikające z zastosowania dodatkowych przekładni znajdujących się za przekładnią hCVT. Działa to podobnie jak zastosowanie dodatkowego reduktora w klasycznej skrzyni biegów, przez co maszyna zyskuje na użyteczności (większy uciąg, prędkości pozwalające na realizowanie upraw międzyrzędowych, np. 20 m/h). W niektórych rozwiązaniach, aby zmienić taki mechaniczny zakres, należy zatrzymać maszynę, zaś w innych, jak chociażby Auto Command (koncern CNH), można tego dokonać w trakcie pracy. Wszystko zależy od typu zastosowanej dodatkowej przekładni.

Wady przekładni hCVT wynikają z zastosowania przekładni hydrostatycznej, której sprawność nie należy do największych, dlatego gdy udział przenoszenia mocy poprzez układ hydrauliczny przekładni jest wysoki (mniejsze prędkości), sprawność całkowita jest znacznie mniejsza niż w zwykłej przekładni, a co za tym idzie, zwiększa się zużycie paliwa. Producenci starają się wyeliminować tę wadę, dodając dodatkowe równoległe przekładnie mechaniczne (wielosprzęgłowe), co powoduje dodatkowy wzrost komplikacji układu. I właśnie stopień skomplikowania jest główną wadą przekładni bezstopniowych. Z niego wynikają wysokie koszty serwisu w wyspecjalizowanych warsztatach. Większe naprawy często wykonamy tylko w ASO. Poza tym niektórych modeli ciągników wyposażonych w przekładnię hCVT nie można holować, gdyż może to doprowadzić do uszkodzenia przekładni hydrostatycznej. Warto zwrócić na to uwagę i sprawdzić w instrukcji obsługi ciągnika, jakie są dopuszczalne formy transportu maszyny. Przekładnie tego typu sprawdzą się najlepiej w terenach górzystych i pagórkowatych, ze względu na możliwość automatycznego dopasowania idealnego przełożenia do potrzeb. Niestety, wysoka cena maszyn wyposażonych w tego typu napęd sprawia, że aby inwestycja była opłacalna, trzeba dysponować dość znacznym areałem, który pozwoli na wykorzystanie możliwości takiego ciągnika, a przede wszystkim trzeba chcieć i umieć wykorzystać potencjał, jaki daje przekładnia bezstopniowa i oprogramowanie nią sterujące.

W następnym numerze zajmiemy się ostatnim typem popularnego napędu, którego prostota i wygoda użytkowania przewyższyły wady wynikające z niskiej sprawności. Będzie to oczywiście napęd hydrostatyczny.

Artykuł został opublikowany w wydaniu 6/2016 miesięcznika Farmer

Podobał się artykuł? Podziel się!
×

WSZYSTKIE KOMENTARZE (0)

BRAK KOMENTARZY

PISZESZ DO NAS Z ADRESU IP: 54.81.112.7
Dodając komentarz, oświadczasz, że akceptujesz regulamin serwisu

Drodzy Użytkownicy!

W związku z odwiedzaniem naszych serwisów internetowych przetwarzamy Twój adres IP, pliki cookies i podobne dane nt. aktywności lub urządzeń użytkownika. Jeżeli dane te pozwalają zidentyfikować Twoją tożsamość, wówczas będą traktowane jako dane osobowe zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady 2016/679 (RODO).

Administratora tych danych, cele i podstawy przetwarzania oraz inne informacje wymagane przez RODO znajdziesz w Polityce Prywatności pod tym linkiem.

Jeżeli korzystasz także z innych usług dostępnych za pośrednictwem naszych serwisów, przetwarzamy też Twoje dane osobowe podane przy zakładaniu konta, rejestracji na eventy, zamawianiu prenumeraty, newslettera, alertów oraz usług online (w tym Strefy Premium, raportów, rankingów lub licencji na przedruki).

Administratorów tych danych osobowych, cele i podstawy przetwarzania oraz inne informacje wymagane przez RODO znajdziesz również w Polityce Prywatności pod tym linkiem. Dane zbierane na potrzeby różnych usług mogą być przetwarzane w różnych celach, na różnych podstawach oraz przez różnych administratorów danych.

Pamiętaj, że w związku z przetwarzaniem danych osobowych przysługuje Ci szereg gwarancji i praw, a przede wszystkim prawo do sprzeciwu wobec przetwarzania Twoich danych. Prawa te będą przez nas bezwzględnie przestrzegane. Jeżeli więc nie zgadzasz się z naszą oceną niezbędności przetwarzania Twoich danych lub masz inne zastrzeżenia w tym zakresie, koniecznie zgłoś sprzeciw lub prześlij nam swoje zastrzeżenia pod adres odo@ptwp.pl.

Zarząd PTWP-ONLINE Sp. z o.o.

Zgłoś swoje propozycje zmian!


Dziękujemy za współpracę!