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

Zmiana biegów pod obciążeniem, czyli powershift

Autor: Grzegorz Szularz

Dodano: 18-06-2016 08:16

Tagi:

Ilekroć trzeba wjechać ciągnikiem starszego typu na pole i rozpocząć pracę, pojawia się dość ważne pytanie: na którym biegu będzie można pracować? Ten dylemat towarzyszył operatorom ciągników, odkąd zrezygnowano z przekładni ciernych na rzecz zębatych. Rozwiązanie przyszło wraz z powrotem do przekładni planetarnych, a później także wielosprzęgłowych, których budowę i zasadę działania postaramy się przybliżyć w tym artykule.



Zanim na dobre rozpoczęła się masowa produkcja pierwszych ciągników rolniczych z silnikami spalinowymi z przekładniami póki co niesynchronizowanymi, wielu konstruktorów zaczęło myśleć daleko w przód, właśnie nad umożliwieniem zmiany przełożeń w trakcie pracy ciągnika, czyli pod obciążeniem.

RÓŻNE POMYSŁY NA SPRZĘGŁO

Taka czynność w przypadku klasycznej przekładni, nawet synchronizowanej, jest praktycznie niemożliwa. Opór, jaki stawia narzędzie uprawowe, grunt oraz mała prędkość poruszania się ciągnika powodują, że gdy tylko uruchomimy sprzęgło, maszyna niemal natychmiast zatrzyma się - zanim zdołamy włączyć kolejny bieg. Wprawdzie dzisiaj moglibyśmy sobie wyobrazić zrobotyzowaną przekładnię ręczną, sterowaną cewkami, w której system automatyki poradziłby sobie z szybką zmianą biegu za pomocą siłowników hydraulicznych, pneumatycznych lub elektrycznych, jednakże w latach 20. i 30. ubiegłego wieku inżynierowie nie mieli do dyspozycji tak zminiaturyzowanych sterowników, dlatego skupiono się na znalezieniu kompletnie innej drogi. Choć geniusz ówczesnych konstruktorów nie pozwolił na porzucenie także i tej drogi, czego efektem jest chociażby skrzynia typu Saxomat, którą możemy spotkać w niektórych starszych modelach BMW, Opla czy DKW. Jednak najbardziej znanym autem wyposażonym w taką przekładnię był Trabant w wersji Hycomat. W tym typie przekładni za zmianę biegów (skrzynia synchronizowana sprzęgłami odśrodkowymi) odpowiadał układ elektryczny zwalniający operatora z konieczności włączania i wyłączania sprzęgła głównego. Następcą Saxomatu jest skrzynia zrobotyzowana (zautomatyzowana), w której włączaniem i wyłączaniem sprzęgła zajmuje się komputer sterujący sprzęgłem za pomocą siłownika hydraulicznego lub elektrycznego.

PODWALINY POD POWERSHIFT

Rozwiązanie problemu zmiany biegu pod obciążeniem - jak większość znanych dziś udogodnień czy to w ciągnikach, czy samochodach - pochodziło od Forda. Wystarczyło je jedynie zaadoptować na potrzeby ciągnika rolniczego. Mowa, oczywiście, o zastosowanej chociażby w Fordzie T przekładni planetarnej (obiegowej), której najważniejszą zaletą z racji budowy jest fakt, że nie trzeba rozłączać jej od silnika, aby dokonać zmiany przełożenia. Co więcej, przekładnia planetarna może być w pełni obciążona w czasie dokonywania zmiany biegu. W uproszczeniu: przekładnia obiegowa składa się z czterech podstawowych elementów: kół zębatych (słonecznego, obiegowych zwanych satelitami oraz koronowego), jarzma, które stanowi element łączący satelity, obudowy oraz sprzęgieł i hamulców. Rolą tych ostatnich jest łączenie w pary poszczególnych elementów przekładni.

Sprzężenie dwóch dowolnych elementów (np. jarzma i koła słonecznego) sprawia, że przełożenie całkowite wynosi jeden - a więc tyle obrotów, ile zostanie podanych na wał wejściowy, otrzymamy na wale wyjściowym, a zatem moment obrotowy pozostanie niezmieniony, zupełnie jak w przypadku biegu bezpośredniego w zwykłej skrzyni. Natomiast zatrzymanie jednego z kół przekładni daje przełożenie różne od jedności, a zatem możemy zwiększać lub zmniejszać moment obrotowy w zależności od naszych intencji. Za przykład może posłużyć chociażby Ursus 914, który został wyposażony właśnie we "wzmacniacz momentu" będący przekładnią planetarną o dwóch przełożeniach: 1 i 1,34. Normalnie przekładnia nie powodowała zmiany prędkości obrotowej, jednak po włączeniu następowała jej redukcja, dzięki czemu otrzymywaliśmy większy moment obrotowy i odczucie zwiększonej siły uciągu kosztem zredukowanej prędkości.

Dzięki zwiększeniu liczby szeregów planetarnych możliwe było uzyskanie większej liczby takich przełożeń na żądanie operatora. I właśnie ten tok rozumowania doprowadził do sformowania podwalin pod pierwszy typ przekładni powershift, choć obecnie definicja przekładni powershift mówi zupełnie coś innego, ale o tym w dalszej części artykułu. Oczywiście, zanim zaczęto wprowadzać takie rozwiązania do ciągników, dokonał się istotny postęp napędzany rozwojem branży motoryzacyjnej. Już pod koniec lat 30. XX w. pojawiły się pierwsze w pełni automatyczne skrzynie biegów, takie jak dwubiegowa skrzynia: Chevrolet Powerglide, GM-Oldsmobile Hydra-Matic czy Ford-O-Matic od Borg Warner. Zmiany dokonały się głównie w dopracowaniu hydraulicznego sterowania oraz wprowadzeniu sprzęgła hydrokinetycznego.

DWIE SKRZYNIE I DWA SPRZĘGŁA

Choć sama idea zastosowania dwóch sprzęgieł znana była od lat 30., to na jej realizację przyszło nam czekać aż do lat 80. XX w. Twórcą systemu dwusprzęgłowego był francuski konstruktor Adolphe Kégresse, twórca pojazdów typu half-trac, czyli o podwoziu gąsienicowo-kołowym. Na zahamowanie rozwoju tej technologii wpłynęły wybuch II wojny światowej i jej katastrofalne skutki, w tym śmierć samego twórcy w 1943 r.

Idea dwusprzęgłowych skrzyń biegów powróciła za sprawą koncernów Peugeot S.A. oraz Ford MC. Do maszyn rolniczych trafiła nieco później dzięki takim firmom, jak Case IH i John Deere. Pod koniec ubiegłego wieku niemal każdy większy producent miał w swojej ofercie skrzynię typu powershift bazującą na przekładniach planetarnych. Na przykład Ford już od lat 60. oferował do swoich ciągników przekładnie Select-O-Speed, a Case IH - Case-O-Matic. Jednak już w latach 80. Case IH wywrócił do góry nogami definicję przekładni powershift, wprowadzając do produkcji pierwszą rolniczą przekładnię dwusprzęgłową w modelu Case IH 7120.

JAK DZIAŁA POWERSHIFT?

Zasada działania przekładni dwusprzęgłowej jest niezwykle prosta i można ją w uproszczeniu podsumować jako połączenie dwóch przekładni w jedną z dodaniem nieco bardziej rozbudowanego układu sterującego. Wyobraźmy sobie klasyczną, synchronizowaną skrzynię biegów, taką jaka była opisywana w poprzednim numerze "Farmera". Teraz wyrzućmy wałek, na którym znajdowały się wszystkie zębate koła wejściowe i zamontujmy je na dwóch dodatkowych wałkach. Na jednym wałku znajdą się koła biegów nieparzystych, a na drugim parzystych. Pomiędzy nimi jest wałek wyjściowy z kołami, które będą przekazywały moment dalej na koła ciągnika. Dodajmy do tego po jednym zespole sprzęgła wielotarczowego w kąpieli olejowej na każdy wałek wejściowy oraz układ hydrauliczny, który zastąpi dźwignię zmiany biegów wraz z odpowiednim systemem sterującym (elektroniką).

Samą zasadę działania najlepiej prześledzić z miejsca operatora. Zakładamy, że biegi włączamy za pomocą przycisków, początkowo mamy włączony bieg pierwszy i zaczynamy się rozpędzać. Wciskamy więc przycisk odpowiadający drugiemu biegowi. Komputer odpowiedzialny za sterowanie skrzynią przetwarza w sterowniku (oprogramowaniu) nasze polecenie na konkretny rozkaz dla elektronicznie sterowanego rozdzielacza hydraulicznego, który ustawia suwaki w takiej pozycji, aby olej popłynął w dwa miejsca: do sprzęgła pierwszego szeregu (gdzie jest bieg pierwszy), po to by to sprzęgło rozłączyło wałki, i jednocześnie do drugiego sprzęgła (gdzie jest bieg drugi), aby to spięło wał pośredni z wałkiem wyjściowym. To przełączenie sprzęgieł następuje w czasie praktycznie niezauważalnym dla kierowcy. W rezultacie skrzynia "przeskakuje" z biegu pierwszego na drugi. Na tym jednak nie kończy się praca komputera, który teraz automatycznie wysyła polecenie do rozdzielacza, żeby ten podał olej na siłownik odpowiedzialny za wybór przełożeń nieparzystych - aby został "przygotowany" bieg trzeci. Następuje rozłączenie pary kół pierwszego biegu i połączenie pary kół biegu trzeciego. Tak więc gdy naciśniemy przycisk odpowiedzialny za włączenie trzeciego biegu, komputer po prostu dokona przełączenia sprzęgieł.

Oczywiście, możemy chcieć przejść z "2-ki" z powrotem do "1-ki". Wtedy komputer, zanim dokona przełączenia sprzęgieł, najpierw wybierze odpowiednią parę kół zębatych, odpowiedzialnych za wybrane przełożenie. Podobnie będzie, gdy zamiast przejść z "1-ki" na "2-kę" będziemy od razu chcieli przejść na "4-kę". Przy przeskakiwaniu pomiędzy biegami nieparzystymi musi więc nastąpić chwilowe włączenie biegu parzystego. W przeciwnym razie maszyna miałaby tendencję d o silnego szarpania.

DEFINICJA SKRZYNI POWERSHIFT W XXI WIEKU

Obecnie miano skrzyni powershift jednoznacznie wiąże się z systemami wielosprzęgłowymi, czyli tymi, w których zastosowano podział na co najmniej dwa wałki z własnymi sprzęgłami dla poszczególnych biegów. Zaś skrzynie bazujące na szeregach planetarnych określane są jako wzmacniacze momentu. Choć w literaturze anglosaskiej oba typy znajdziemy w grupie skrzyń powershift, jako że człon "power" zwykle oznacza pewien rodzaj wspomagania (automatyzacji) użytkowania danego elementu, np. wspomaganie kierownicy (power steering), wspomaganie hamulców (power brakes), zatem skrzynia ułatwiająca zmianę przełożeń to powershift, rzadziej powerglide.

Niezależnie, czy uznamy skrzynie z szeregami planetarnymi za powershift czy nie, istnieje jeszcze jeden ważny z punktu widzenia użytkownika podział. A mianowicie skrzynie tzw. full-powershift (pełen powershift) i semi-powershift (częściowy powershift). Pierwsza umożliwia przełączanie wszystkich dostępnych biegów bez użycia sprzęgła. To oznacza, że wszystkie przełożenia możemy włączać za pomocą przycisków lub przesuwając dźwignię do sterowania przełożeniami (przód/tył), zaś cały proces wysprzęglania i wyboru odpowiedniej pary kół zębatych realizuje komputer sterujący.

Drugi typ (semi-powershift) oznacza, że mamy do czynienia z połączeniem dwóch skrzyń: zwykłej manualnej oraz powershift. W takim układzie mamy kilka biegów włączanych przy pomocy pedału sprzęgła i dźwigni (starsze rozwiązania) lub za pomocą przycisku na dźwigni, który odpowiada za wysłanie sygnału do komputera, aby ten dokonał wysprzęglenia. Pozostałe biegi (określane jako półbiegi) uruchamiane są bezsprzęgłowo przełącznikami lub dźwigienką.

W nomenklaturze producentów możemy spotkać się np. ze sformułowaniem: "skrzynia powershift z czterema biegami i czterema zakresami". W przypadku niepełnego powershift oznacza to, że mamy do dyspozycji po cztery automatycznie przełączane biegi na czterech biegach przełączanych dźwignią, co łącznie daje szesnaście przełożeń. W przypadku full-powershift wszystkie przełożenia zmienianie byłyby za pomocą przełączników. Dzięki takiej modułowej konstrukcji producenci mogą łatwo dodawać lub ujmować przełożenia ze swoich napędów i uzyskiwać różne konfiguracje.

ZALETY I WADY

Podobnie jak w przypadku przekładni automatycznych stosowanych w autach osobowych, tak i w przypadku maszyn rolniczych, początkowa niechęć użytkowników była głównie motywowana nieznajomością budowy i zasad działania takich napędów. Poznawszy zarówno budowę, jak i zasadę działania, trzeba wspomnieć o wadach i zaletach poszczególnych rozwiązań.

Przekładnia planetarna to przede wszystkim duża wytrzymałość i zdolność do przenoszenia znacznych obciążeń, z racji czego jest chętnie i powszechnie stosowana jako zwolnica nie tylko w ciągnikach, lecz niemal we wszystkich maszynach roboczych. Wynika to między innymi z możliwości rozłożenia sił na kilka kół obiegowych. Poza dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi przekładnię obiegową cechują także: zwarta budowa, znacznie mniejsze nagrzewanie się podczas pracy oraz mniejsza hałaśliwość. Dzięki czemu możemy pracować w bardziej komfortowych warunkach i zużywamy mniejsze ilości oleju podczas okresowych wymian.

Problem pojawia się, gdy zaczynamy zwiększać liczbę szeregów planetarnych. Wówczas znacząco rośnie stopień komplikacji układu związany z koniecznością wyprowadzenia połączeń z hamulcami i sprzęgłami sterującymi przełożeniami. Taki układ wymaga już wyspecjalizowanej obsługi serwisowej. Problem stanowią także zużywające się powierzchnie cierne wspomnianych elementów, przez co bezwzględnie trzeba dbać o stan oleju. Utrudniony może być także dostęp do samej przekładni wynikający z konstrukcji obudowy.

Przechodząc zaś do zalet związanych stricte z typem przekładni powershift, zdecydowanie na pierwszym miejscu należy wymienić wysoki komfort, jaki daje obsługa skrzyni (zmiana przełożeń przyciskami lub dźwigienką), ale także możliwość połączenia jej z tempomatem i programatorem prędkości. Dostęp do nowoczesnego układu powershit uzyskamy poprzez komputer maszyny, który komunikuje się z modułem odpowiedzialnym za sterowanie przekładnią. Większość dużych producentów oferuje swój autorski system sterowania z własnym oprogramowaniem. Zazwyczaj już od podstawowych wariantów z tempomatem otrzymamy możliwość zaprogramowania obrotów, przy których maszyna sama zredukuje lub zwiększy bieg, jeżeli tylko obciążenie wynikające np. z podjazdu pod wzniesienie będzie wymagało większego momentu napędowego, a ciągnik zachowa ustawioną przez użytkownika prędkość. Taki system można również wykorzystywać przy pracy w polu, jest on także podstawą do automatyzacji nawrotu czy w ogóle pełnej modernizacji do pracy zgodnie z założeniami rolnictwa precyzyjnego. Dzięki możliwości sterowania skrzynią z poziomu komputera, urządzenia do prowadzenia maszyny będą mogły nie tylko pilnować zachowania kierunku, lecz także dobierać przełożenia, oszczędzać paliwo, silnik i zużycie opon.

Niestety, właśnie system dwóch sprzęgieł i układ odpowiedzialny za sterowanie zarówno nimi, jak i biegami może przysporzyć najwięcej problemów. Okazuje się, że poczynając od wad niewynikających z usterek aż po wymianę eksploatacyjną pakietów sprzęgieł, koszt będzie wysoki - a że sprzęgła są dwa, należy przygotować się na podwójny wydatek. Więcej przyjdzie nam zapłacić za olej, bowiem ten typ przekładni wymaga stosowania specjalnych olejów, droższych od tych stosowanych w zwykłych przekładniach synchronizowanych, w dodatku w większej ilości. Problemy z przekładnią pojawią się, gdy olej będzie zanieczyszczony lub gdy zużyją się uszczelki zaworów sterujących. W tym przypadku należy po prostu często wymieniać olej i filtry, a po określonym przebiegu wymienić także uszczelnienia. Kolejną, mniej uciążliwą, aczkolwiek wartą wspomnienia, niedogodnością jest konieczność wykonywania okresowej kalibracji przekładni (co ok. 1200 mth). Potrzeba kalibracji jest spowodowana zużywaniem się elementów ciernych sprzęgieł głównych, jak i tych przy poszczególnych biegach.

Jeżeli przejdziemy do wad związanych z usterkami, najsłabszym ogniwem okażą się komputery sterujące pracą wszystkich elementów - przede wszystkim oprogramowanie, rzadziej elementy elektroniki. Na awarie układów elektronicznych właściwie nie mamy wpływu. Na szczęście, zdarzają się one niezwykle rzadko.

A co jeżeli nawet 32 czy 40 przełożeń full-powershift nam nie wystarcza? Kiedy chcemy maksymalnie efektywnie wykonywać wszystkie prace? Wtedy powinniśmy spojrzeć w stronę układów hybrydowych, które opiszemy w następnym numerze.

 

Artykuł ukazał się w majowym numerze miesięcznika "Farmer"

Podobał się artykuł? Podziel się!
×

WSZYSTKIE KOMENTARZE (1)

  • ppawel 2016-06-21 21:16:45
    Bardzo dobry, i fachowo napisany artykuł.
ZOBACZ WSZYSTKIE KOMENTARZE

PISZESZ DO NAS Z ADRESU IP: 54.224.133.152
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!