Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Hydrostatické prevody v mobilnej poľnohospodárskej technike (1. časť)

22-11-2013
prof. Ing. Anton Žikla, CSc.; Ing. Ján Kosiba, PhD. | xkosiba@is.uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Katedra dopravy a manipulácie (TF)

Hydrostatické prevody tvoria neoddeliteľnú súčasť väčšiny mobilných poľnohospodárskych strojov, predovšetkým obilných kombajnov, rezačiek, ale aj nakladačov a manipulátorov. Predovšetkým sa jedná o prevody určené na prenos výkonu od motora na hnacie kolesá, ktoré v konečnom dôsledku zabezpečujú vlastný pohyb stroja. Na prenos výkonu sa využíva tlaková energia pracovnej kvapaliny, pričom prenášaný výkon je priamo úmerný tlaku a prietoku pracovnej kvapaliny. Na rozdiel od štandardných otvorených hydraulických obvodov, bežne používaných na ovládanie rôznych mechanizmov poľnohospodárskych strojov, sa pri hydrostatických prevodoch používa uzatvorený hydraulický obvod. Hydrostatický prevod splňuje viaceré požiadavky kladené na moderné systémy pohonov mobilných pracovných strojov. Prioritne splňuje požiadavku na plynulú reguláciu pojazdnej rýchlosti mobilného stroja pri konštantných ale aj meniacich sa otáčkach motora, pričom táto regulácia môže byť manuálna alebo automatická. Plynulá regulácia pojazdnej rýchlosti je zvlášť významná najmä pri zberových strojoch, pretože umožňuje aj pri nevyrovnanom poraste rovnomerné zaťaženie pracovných mechanizmov, čo zvyšuje kvalitu vykonávanej technologickej operácie.

Výhody a nevýhody hydrostatických prevodov

Okrem už vyššie uvedenej plynulej regulácie pojazdnej rýchlosti mobilných strojov, hydrostatické prevody majú celý rad ďalších výhod, ktoré možno zhrnúť nasledovne:

  • prenos energie aj na ťažko prístupné a priestorovo nepriaznivo orientované miesta,
  • prenos energie potrubím alebo ohybnými hadicami aj na väčšie vzdialenosti od zdroja tlakovej energie,
  • malá hmotnosť a malé rozmery hydraulických prvkov,
  • veľký rozsah zmeny prevodového pomeru,
  • intenzívne brzdenie motorom,
  • jednoduché istenie motora proti preťaženiu,
  • kľudný a plynulý rozbeh bez rázov,
  • jednoduchá údržba a zaručené mazanie pohyblivých častí,
  • nenáročná diagnostika a signalizácia porúch počas prevádzky.

Hlavnou nevýhodou hydrostatických prevodov je nižšia účinnosť prenosu energie v porovnaní so štandardnými mechanickými prevodmi, ktoré dosahujú účinnosť 90 percent. Hydrostatické prevody majú účinnosť okolo 70 percent a v niektorých prípadoch ešte menej. Okrem nižšej účinnosti je vhodné ešte uviesť nasledovné nevýhody hydrostatických prevodov:

  • citlivosť na nečistoty v oleji,
  • vplyv teploty oleja na činnosť a prevádzkové vlastnosti hydrostatického prevodu,
  • možnosť úniku oleja zo systému,
  • technologická náročnosť na výrobu hydraulických prvkov,
  • v niektorých prípadoch vyššia nadobúdacia cena.

Základné časti a druhy hydrostatických prevodov

Hydrostatický prevod sa skladá zo systému konštantných alebo regulačných hydrostatických prevodníkov, ktoré plnia funkciu hydrogenerátorov a hydromotorov. Zmenou ich geometrického objemu sa plynule mení hodnota otáčkového a súčasne aj momentového prevodového pomeru. Pod pojmom geometrický objem rozumieme množstvo pracovnej kvapaliny pripadajúce na jednu otáčku hydrogenerátora resp. hydromotora. Geometrický objem hydrogenerátorov a hydromotorov sa spravidla udáva cm3. Hydrostatické prevody podľa spôsobu prenosu výkonu možno rozdeliť nasledovne:

  • priame,
  • diferenciálne,
  • špeciálne.

Priame hydrostatické prevody označované skratkou PHSP sú známe aj pod názvom "jednoduché hydrostatické prevody". Vyznačujú sa tým, že celý výkon sa prenáša prostredníctvom tlakovej energie pracovnej kvapaliny. Najčastejšie sa používajú na samojazdných poľnohospodárskych strojoch.

Diferenciálne hydrostatické prevod (DHSP) sa vyznačujú tým, že jedna časť výkonu sa prenáša priamym hydrostatickým prevodom a druhá časť mechanickým prevodom. Podľa spôsobu vetvenia prenášaného výkonu medzi hydrostatickú vetvu a mechanickú vetvu diferenciálny hydrostatický prevod môže byť s diferenciálom na vstupe alebo s diferenciálom na výstupe. Výsledný prevodový pomer sa mení plynule zmenou prevodového pomeru v hydrostatickej vetve. Výsledná účinnosť diferenciálneho hydrostatického prevodu závisí od vzájomného pomeru výkonu prenášaného mechanickou vetvou k celkovému prenášanému výkonu. Platí všeobecná zásada, že čím väčší je podiel výkonu prenášaného mechanickou vetvou, tým je výsledná účinnosť vyššia. V bežných prevádzkových podmienkach sa výsledná účinnosť pohybuje v rozsahu 70 až 90 percent. Diferenciálne hydrostatické prevody používané v traktoroch sú známe pod označením VARIO alebo CVT (Continually Variable Transmission).

Špeciálne hydrostatické prevody majú neštandardné usporiadanie prvkov a spravidla sú vyvinuté ako jednoúčelové tak, aby splňovali špecifické požiadavky pre konkrétne použitie. K špeciálnym hydrostatickým prevodom patria aj pomalobežné hydromotory tzv. hydrokolesá. Ich špecifické parametre, ako veľký krútiaci moment a nízke otáčky, umožňujú zabudovať tieto motory priamo do hnacích kolies mobilného stroja. O pomalobežnom hydromotore hovoríme vtedy, keď jeho geometrický objem je niekoľkokrát vyšší ako geometrický objem pripojeného hydrogenerátora, čím sa dosiahne veľká transformácia otáčok a krútiaceho momentu. Už v minulosti sa uvažovalo so širším využitím hydrokolies v mobilnej poľnohospodárskej technike, avšak vzhľadom na s tým súvisiace technické problémy sa tieto úvahy a predpoklady nesplnili.

Základné varianty priamych hydrostatických prevodov

Ako už bolo vyššie uvedené priame hydrostatické prevody sa vyznačujú tým, že celý výkon sa prenáša prostredníctvom tlakovej energie pracovnej kvapaliny. Otáčky hydromotora možno meniť zmenou geometrického objemu hydrogenerátora alebo hydromotora. V technickej praxi sa hydrogenerátor alebo hydromotor s premenlivým geometrickým objemom nazýva ako "regulačný" a s konštantným geometrickým objemom ako "neregulačný" prípadne "konštantný". Na základe toho môžu byť tri základné varianty hydrostatických prevodov:

  • s regulačným hydrogenerátorom a konštantným hydromotorom (Obr. 1),
  • s konštantným hydrogenerátorom a regulačným hydromotorom (Obr. 2),
  • s regulačným hydrogenerátorom a regulačným hydromotorom (Obr. 3).

Obrázky

Obr. 1: Priamy hydrostatický prevod s regulačným hydrogenerátorom a konštantným hydromotorom (1 - regulačný hydrogenerátor, 2 - konštantný hydromotor)
Obr. 2: Priamy hydrostatický prevod s konštantným hydrogenerátorom a regulačným hydromotorom (1- konštantný hydrogenerátor, 2 - regulačný hydromotorom)
Obr. 3: Priamy hydrostatický prevod s regulačným hydrogenerátorom a regulačným hydromotorom (1- regulačný hydrogenerátor, 2 - regulačný hydromotor)

Všetky tri vyššie uvedené varianty predstavujú uzatvorený hydraulický obvod znamená, že výstup hydrogenerátora je zapojený na vstup hydromotora a výstup hydromotora na vstup hydrogenerátora.

Hydrostatický prevod znázornený na Obr. 1 s regulačným hydrogenerátorom a konštantným hydromotorom sa vyznačuje pomerne jednoduchou konštrukciou, čo samozrejme má priaznivý vplyv na jeho cenu a tiež prevádzkovú spoľahlivosť. Pri konštantných otáčkach hydrogenerátora 1 závisí rozsah otáčok hydromotora 2 od jeho geometrického objemu a od regulačného rozsahu geometrického objemu hydrogenerátora 1. To platí aj pri reverznom regulačnom rozsahu regulačného hydrogenerátora 1, keď sa hydromotor 2 otáča opačným smerom ako hydrogenerátor 1. Nulové otáčky hydromotora 2 sa dosiahnu pri nastavení hydrogenerátora 1 na nulový geometrický objem. Tento stav analogicky zodpovedá zaradenému neutrálu v klasickej prevodovke.

Hydrostatický prevod znázornený na Obr. 2 s konštantným hydrogenerátorom 1 a regulačným hydromotorom 2 je neobvyklý a vyznačuje sa určitými špecifickými zvláštnosťami. Totižto množstvo dodávanej pracovnej kvapaliny pri konštantnom geometrickom objeme hydrogenerátora 1 závisí iba od jeho otáčok. Množstvo dodávanej pracovnej kvapaliny za časovú jednotku sa nazýva "prietok" a najčastejšie sa uvádza v dm3 (litroch) za minútu. Z uvedeného vyplýva, že pokiaľ je hydrogenerátor 1 v činnosti potom nulové otáčky hydromotora 2 možno dosiahnuť jedine nastavením jeho geometrického objemu na nulovú hodnotu. Z energetického hľadiska je však takýto stav vonkoncom nežiaduci, pretože množstvo pracovnej kvapaliny prúdi z výstupu hydrogenerátora cez otvorený poistný ventil späť na vstup hydrogenerátora pri zastavenom hydromotore. V dôsledku toho sa tlaková energia pracovnej kvapaliny mení na teplo, následkom čoho sa teplota pracovnej kvapaliny zvyšuje. Za účelom udržania teploty pracovnej kvapaliny na požadovanej hodnote je potrebné takto vznikajúce teplo odviesť chladením, čo samozrejme zvyšuje požiadavky na samotný chladiaci systém.

Čo sa týka regulačného rozsahu, tento hydrostatický prevod umožňuje dosiahnuť niekoľkonásobne vyššie otáčky hydromotora, než sú otáčky hydrogenerátora, takže sa jedná o prevod do rýchla. Totižto so zmenšovaním geometrického objemu regulačného hydromotora sa jeho otáčky zvyšujú teoreticky až na nekonečnú hodnotu čo sa však prakticky nedá dosiahnuť. Predchádzajúci variant hydrostatického prevodu znázornený na Obr. 1 spravidla prevod do rýchla neumožňuje a keď, tak len v ojedinelých prípadoch. Z uvedeného vyplýva, že hydrostatický prevod znázornený na Obr. 2 nachádza uplatnenie všade tam, kde sa vyžaduje prevod do rýchla, čo v prevodoch bežne používaných na pojazd mobilných poľnohospodárskych strojov nepripadá do úvahy.

Hydrostatický prevod znázornený na Obr. 3 s regulačným hydrogenerátorom 1 a regulačným hydromotorom 2 je z hľadiska regulačného rozsahu a vôbec možnosti regulácie otáčok hydromotora najatraktívnejší. Avšak z hľadiska konštrukčnej zložitosti vrátane mechanizmu regulácie a do určitej miery aj cenovej náročnosti už atraktívnosť tohto hydrostatického prevodu ustupuje do pozadia. V podstate sa jedná o syntézu resp. vzájomnú kombináciu dvoch vyššie uvedených a na Obr. 1 a 2 schematicky znázornených variantov hydrostatického prevodu. Aj napriek konštrukčnej zložitosti vďaka regulačnej atraktívnosti, ktorá podmieňuje často požadované prevádzkové vlastnosti mobilnej techniky nachádza tento variant hydrostatického prevodu uplatnenie aj v mobilných poľnohospodárskych strojoch, o čom bude podrobnejšie pojednané v ďalších častiach príspevku.

Tento príspevok bol spracovaný na základe dostupnej technickej informácie od firiem SAUER a REXROTH.

Vystavené 22.11.2013