Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Diferenciálne hydrostatické prevody (1. časť)

08-01-2015
Na základe dostupných technických informácii spracovali: prof. Ing. Anton ŽIKLA, CSc.; Ing. Ján KOSIBA, PhD. | xkosiba@is.uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Katedra dopravy a manipulácie (TF)
(zdroj: Moderná mechanizácia 8/2014, s. 16-17)

Odborné príspevky uverejnené v predchádzajúcich číslach časopisu Moderná mechanizácia boli svojim obsahom venované priamym hydrostatickým prevodom a ich aplikácii v mobilnej poľnohospodárskej technike. Z obsahu týchto príspevkov vyplýva, že sú ideálne pre použitie v samojazdných poľnohospodárskych strojov, pretože umožňujú plynulú reguláciu pojazdovej rýchlosti. Avšak na druhej strane bolo poukázané na nižšiu účinnosť týchto prevodov v porovnaní so štandardnými mechanickými prevodmi. Takže v prípade použitia priamych hydrostatických prevodov na prenos vyšších výkonov, napr. pri vysokovýkonných traktoroch, by dochádzalo k značným energetickým stratám a úmerne aj k zvýšenej spotrebe paliva. Z vyššie uvedených dôvodov boli vyvinuté diferenciálne hydrostatické prevody, ktoré nachádzajú uplatnenie aj vo vysokovýkonných traktoroch. Tento druh prevodov do určitej miery eliminuje nevýhody a integruje výhody hydrostatických prevodov a štandardných mechanických prevodov.

Základné časti a usporiadanie diferenciálnych hydrostatických prevodov

Diferenciálny hydrostatický prevod sa vyznačuje tým, že jedna časť výkonu sa prenáša mechanicky a druhá časť hydrostaticky, teda prostredníctvom tlakovej energie pracovnej kvapaliny. Vzájomný pomer jednotlivých častí prenášaných výkonov sa mení, v závislosti na celkovom prevodovom pomere to znamená, že v konečnom dôsledku na pojazdovej rýchlosti mobilného stroja. Zmena celkového prevodového pomeru sa uskutočňuje reguláciou hydrostatického prevodu.

Základné časti diferenciálneho hydrostatického prevodu sú:

  • diferenciálny mechanizmus (diferenciál),
  • hydrostatický prevod.

Podľa usporiadania , tzn. podľa umiestnenia diferenciálu poznáme dva druhy diferenciálnych hydrostatických prevodov:

  • s diferenciálom na vstupe,
  • s diferenciálom na výstupe.

Z funkčnej schémy diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na vstupe (Obr. 1) je zrejmé, že výkon vstupuje do diferenciálu, kde sa rozdeľuje na dve časti , z ktorých jedna časť sa dostáva na výstupný hriadeľ a druhá časť vstupuje do hydrostatického prevodu.

Obr. 1 Funkčná schéma diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na vstupe

Obr. 1 Funkčná schéma diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na vstupe

K sumarizácii obidvoch častí prenášaných výkonov dochádza na výstupnom hriadeli. Charakteristickou vlastnosťou diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na vstupe je, že výsledný prevod je nelineárne závislý na hydrostatickom prevode, následkom čoho je rozdielna citlivosť regulácie v celom regulačnom rozsahu pojazdovej rýchlosti mobilného stroja.

Z funkčnej schémy diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na výstupe (Obr. 2) vyplýva, že výkon už na vstupnom hriadeli sa rozdeľuje na dve časti , z ktorých jedna vstupuje do diferenciálu a druhá do hydrostatického prevodu. Sumarizácia obidvoch častí prenášaných výkonov sa uskutočňuje vo vnútri diferenciálu. Tento diferenciálny hydrostatický prevod je lineárne závislý na hydrostatickom prevode, v dôsledku čoho je rovnaká citlivosť regulácie v celom regulačnom rozsahu pojazdovej rýchlosti mobilného stroja.

Obr. 2 Funkčná schéma diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na výstupe

Obr. 2 Funkčná schéma diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na výstupe

Diferenciálny mechanizmus

Diferenciálny mechanizmus je v odbornej verejnosti všeobecne známy pod názvom „diferenciál“, ktorý sa štandardne používa na všetkých štvorkolesových motorových vozidlách vrátane traktorov. Z kinematického hľadiska je to mechanizmus s dvomi stupňami voľnosti, čo prakticky znamená, že má dva členy hnacie alebo hnané. Na hydrostatických diferenciálnych prevodoch sa takmer výlučne používa planetový diferenciálny mechanizmus (Obr. 3), ktorý je odvodený od jednoduchého planetového prevodu, známeho pod názvom „planetový modul“. Tento sa skladá z centrálneho kolesa 1, satelitov 2, korunového kolesa 3 a unášača 4. Hociktorý z uvedených členov okrem satelitov môže byť hnací alebo hnaný, za predpokladu, že jeden zo zostávajúcich dvoch je pevne uchytený k rámu, takže nemá možnosť sa otáčať. Planetové prevody sa bežne používajú ako koncové prevody na zadnej i prednej náprave traktorov a tiež na hnacích nápravách ťažkých nákladných automobilov a ťahačov. Široké uplatnenie nachádzajú v prevodovkách traktorov, pretože umožňujú radenie prevodových stupňov pod zaťažením, tzv. „Power Shift“.

Avšak, keď má planetový prevod plniť funkciu diferenciálu, nesmie byť žiadny jeho člen pevne spojený s rámom. Keď podľa kinematickej schémy znázornenej na Obr. 3 hnacím členom je unášač 4  so satelitmi 2, potom hnané členy sú dva, prvým je centrálne koleso 1 a druhým korunové koleso 3. Samozrejme, že v tomto prípade existujú ešte ďalšie dve možnosti, ktoré len potvrdzujú univerzálnosť diferenciálneho mechanizmu a vôbec planetových prevodov. V tejto súvislosti je účelné spomenúť, že v zložitejších prevodových systémoch sa používajú planetové mechanizmy s dvojitými prípadne aj trojitým satelitmi (tzv. dvojsatelity, resp. trojsatelity), rozdielnym počtom zubov a teda aj s rozdielnymi priemermi.

Obr.3 Kinematická schéma jednoduchého planetového prevodu (1 – centrálne koleso, 2 satelity, 3 – korunové koleso, 4 – unášač)

Obr.3 Kinematická schéma jednoduchého planetového prevodu (1 – centrálne koleso, 2 satelity, 3 – korunové koleso, 4 – unášač)

Diferenciálny hydrostatický prevod s diferenciálom na vstupe

Diferenciálny hydrostatický prevod s diferenciálom na vstupe, ktorého kinematická schéma je znázornená na Obr. 4, možno považovať za určitý štandard, ktorý po úpravách umožňuje ďalšie alternatívne riešenia v niekoľkých variantoch. Jeden z možných variantov, ktorý je známy pod názvom „VARIO“, sa štandardne používa na vysokovýkonných traktoroch FENDT. V odbornej verejnosti sa diferenciálne hydrostatické prevody resp. prevodovky všeobecne známe pod označením CVT (Continuously Variable Transmission).

Obr. 4 Kinematická schéma diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na vstupe (1 – centrálne koleso, 2 – satelity, 3 – korunové koleso, 4 – unášač, 5, 6, 7, 8 – ozubené kolesá, HG – regulačný obojsmerný hydrogenerátor, HM – regulačný obojsmerný reverezačný hydromotor)

Obr. 4 Kinematická schéma diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na vstupe (1 – centrálne koleso, 2 – satelity, 3 – korunové koleso, 4 – unášač, 5, 6, 7, 8 – ozubené kolesá, HG – regulačný obojsmerný hydrogenerátor, HM – regulačný obojsmerný reverezačný hydromotor)

Z kinematickej schémy diferenciálneho hydrostatického prevodu (Obr. 4) je zrejmé, že výkon vstupuje do diferenciálu cez vstupný hriadeľ, ktorý je pevne spojený s unášačom 4. Jedna časť výkonu sa z unášača 4 cez satelity 2 prenáša na centrálne koleso 1 a z neho na výstupný hriadeľ. Druhá časť sa prenáša z unášača 4 cez satelity 2 na korunové koleso 3 a z neho ďalej cez ozubené kolesá 56 na hnací hriadeľ regulačného obojsmerného hydrogenerátora HG. Táto časť výkonu sa prostredníctvom tlakovej energie ďalej prenáša do regulačného obojsmerného a reverzačného hydromotora HM a z neho cez ozubené kolesá 7 a 8 na výstupný hriadeľ diferenciálu, na ktorom sa spočítava s výstupným výkonom z diferenciálu. V odbornej terminológii sa výstupný hriadeľ diferenciálu nazýva zlučovací alebo „sumarizačný“, pretože na ňom dochádza k sumarizácii obidvoch častí výstupných výkonov.

Čo  sa týka regulácie diferenciálneho hydrostatického prevodu, táto sa uskutočňuje rovnako ako regulácia priameho hydrostatického prevodu, teda zmenou geometrického objemu regulačného hydrogenerátora alebo hydromotora. Neutrálna poloha sa dosiahne nastavením regulačného hydrogenerátora HG na nulový geometrický objem, a to bez ohľadu na nastavený geometrický objem regulačného hydromotora HM. V tomto prípade sa korunové koleso 3 s hnacím hriadeľom regulačného hydrogenerátora HG otáča naprázdno, pričom centrálne koleso sa neotáča. To v konečnom dôsledku znamená, že mechanickou ani hydrostatickou vetvou diferenciálneho hydrostatického prevodu sa neprenáša žiadny výkon.

Postupným zvyšovaním geometrického objemu regulačného hydrogenerátora HG pri nastavenom maximálnom geometrickom objeme regulačného hydromotora HM sa zvyšujú otáčky výstupného hriadeľa a nastáva súčasný prenos výkonu mechanickou aj hydrostatickou vetvou. Po nastavení maximálneho regulačného rozsahu a tým aj maximálneho geometrického objemu hydrogenerátora HG sa ďalšie zvyšovanie otáčok výstupného hriadeľa dosiahne znižovaním geometrického objemu regulačného hydromotora HM, čo je však obmedzené maximálnou pojazdovou rýchlosťou mobilného stroja.

Reverzácia diferenciálneho hydrostatického prevodu sa uskutočňuje nastavením regulačného hydrogenerátora HG do polohy zodpovedajúcej opačnému smeru prúdenia pracovnej kvapaliny v hydrostatickom prevode. Takže hriadeľ regulačného hydromotora sa otáča v opačnom zmysle a cez ozubené kolesá 78 sa otáča aj výstupný hriadeľ. Aj pri reverznom chode sa regulácia prevodu uskutočňuje zmenou geometrického objemu regulačného hydrogenerátora HG, ale v opačnom regulačnom rozsahu, ktorý je obmedzený maximálnou pojazdovou rýchlosťou mobilného stroja pri spätnom chode. Až na ojedinelé prípady, je maximálna pojazdová rýchlosť mobilných strojov pri spätnom chode nižšia, ako pri jazde dopredu.

Ako už bolo spomenuté v úvode tohto príspevku vzájomný pomer výkonu prenášaného mechanickou a hydrostatickou vetvou sa mení v závislosti na celkovom prevode. Pri vyššie popísanom diferenciálnom hydrostatickom prevode s diferenciálom na vstupe platí zásada, že čím je celkový prevod pomalší, tým väčšia časť celkového výkonu sa prenáša hydrostatickou vetvou. Pretože účinnosť hydrostatického prevodu je nižšia než mechanického, je aj celková účinnosť diferenciálneho hydrostatického prevodu s diferenciálom na vstupe nižšia pri nízkych pojazdových rýchlostiach traktorov a mobilných strojov, čo je charakteristická vlastnosť tohto druhu prevodu.