Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Diferenciálne hydrostatické prevody (4. časť)

12-11-2015
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 6/2015, s. 26-28)

V predchádzajúcich príspevkoch uverejnených v Modernej mechanizácii bol podrobnejšie popísaný princíp diferenciálnych hydrostatických prevodov a ich základné usporiadanie. Bol vysvetlený princíp plynulej regulácie prevodu a tým aj pojazdovej rýchlosti traktora. Na konkrétnom príklade trojstupňového násobiča momentu, bolo poukázané na to, že diferenciálny prevod môže pracovať aj bez hydrostatického prevodu, teda vyložene ako mechanický stupňový prevod s radením pod zaťažením. Vzhľadom na to, že diferenciálne prevody poskytujú široké možnosti usporiadania a konštrukčného riešenia, výrobcovia traktorov a samotným diferenciálnych prevodoviek, tieto možnosti v plnej miere využívajú. Prevádzkovú spoľahlivosť, životnosť a ďalšie vlastnosti konkrétneho usporiadania a konštrukčného riešenia, na základe praktických skúseností, dokážu objektívne posúdiť predovšetkým užívatelia traktorov.

JOHN DEERE AutoPowr s diferenciálom na vstupe

Obr. 1: Traktor JOHN DEERE 7260R s prevodovkou AutoPowr

Obr. 1: Traktor JOHN DEERE 7260R s prevodovkou AutoPowr

Zatiaľ čo traktory FENDT Vario sú štandardne vybavené diferenciálnou hydrostatickou prevodovkou s planetovým diferenciálom umiestneným na výstupe prevodovky, firma JOHN DEERE vyvinula vo vývojovom stredisku v americkom meste Waterloo (štát Iowa), diferenciálnu prevodovku s diferenciálom na vstupe. Táto prevodovka je známa pod označením AutoPowr, ktorá sa vyrába a používa v dvoch variantoch:

  1. variant – s regulačným hydrogenerátorom a hydromotorom s konštantným geometrickým objemom.
  2. variant – s regulačným hydrogenerátorom aj hydromotorom a so synchronizátorom pohonu hydrogenerátora

I. variant – funkcia a konštrukcia

Ako je zrejmé z kinematickej schémy znázornenej na Obr. 2, základné funkčné a konštrukčné časti tejto diferenciálnej prevodovky sú:

  • planetový diferenciál,
  • hydrostatický prevod,
  • planetový reverzor,
  • lamelové spojky.

 

Obr. 2: Kinematická schéma diferenciálnej prevodovky AutoPowr

Obr. 2: Kinematická schéma diferenciálnej prevodovky AutoPowr
(HG – regulačný hydrogenerátor, HM – hydromotor s konštantným geometrickým objemom, B – lamelová brzda, S1, S2 – lamelové spojky, 1 – hnacie centrálne koleso, 2 – dvojitý satelit, 3 – korunové koleso, 4 – unášač, 5 – hnané centrálne koleso, 6,7,8,9 – ozubené kolesá, 10 – centrálne koleso reverzora, 11,12 – satelity reverzora, 13 – korunové koleso reverzora, 14,15 – ozubené kolesá, 16 – kužeľový pastorok diferenciálu)

Planetový diferenciál s tromi dvojitými satelitmi 2, je základnou funkčnou a konštrukčnou časťou diferenciálnej hydrostatickej prevodovky. Na rozdiel od jednoduchého planetového diferenciálu, má tento diferenciál s dvojitými satelitmi dve centrálne ozubené kolesá 15. Centrálne koleso 1 je hnacie a druhé centrálne koleso 5 je hnané, pričom ďalším hnaným členom je unášač 4. Korunové koleso 3 je ďalej cez ozubené kolesá 67 spojené s hriadeľom hydromotora HM.

Hydrostatický prevod pozostáva z regulačného hydrogenerátora HG, s regulačným rozsahom α = - 45° až α = + 45° a hydromotora HM s konštantným geometrickým objemom. Hriadeľ regulačného hydrogenerátora HG je ozubenými kolesami 89 spojený s hnacím hriadeľom. Hydromotor HM je zase cez ozubené kolesá 76 prepojený s korunovým kolesom 3 planetového diferenciálu. Ako bude ďalej vysvetlené, hydrostatický prevod pri určitom rýchlostnom rozsahu pracuje v inverznom režime. To prakticky znamená, že hydrogenerátor pracuje ako hydromotor a naopak, hydromotor pracuje ako hydrogenerátor.

Pretože diferenciálny prevod v tomto usporiadaní neumožňuje reverzáciu vstupných otáčok, pre zabezpečenie spätného chodu traktora, je za planetovým diferenciálom umiestnený tzv. reverzor. Je to v podstate planetový prevod so štyrmi pármi jednoduchých satelitov 1112, ktoré sú otočne uložené na osiach pevne spojených s unášačom 4. Reverzor sa zapína hydraulicky ovládanou lamelovou brzdou B, ktorou sa korunové koleso 13 zastaví.

Vzhľadom k tomu, že hydrostatický prevod neumožňuje plynulú reguláciu pojazdovej rýchlosti traktora v požadovanom rozsahu, 042 alebo 50 km/h, je za reverzorom umiestená dvojica hydraulicky ovládaných lamelových spojok S1S2. Tieto spojky umožňujú zaradiť dva rozsahy pojazdovej rýchlosti prejazdu traktora dopredu, avšak pri spätnom chode sú obidve vypnuté.

Popis činnosti

Vyššie popísaná konštrukcia diferenciálnej hydrostatickej prevodovky umožňuje zaradiť nasledovné prevodové režimy a im zodpovedajúce rýchlostné rozsahy:

  • neutrál,
  • 1. rýchlostný rozsah,
  • 2. rýchlostný rozsah,
  • spätný chod.

Neutrál (unášač 4 stojí, spojka S1 zapnutá, spojka S2 vypnutá)

Od hnacieho hriadeľa je cez ozubené kolesá 98 poháňaný regulačný hydrogenerátor HG a ďalej od hydromotora HM je ozubenými kolesami 76 poháňané korunové koleso 3. Regulačný blok hydrogenerátora je naklonený pod uhlom α = - 45°, tzn. na maximálny geometrický objem, ale v zápornom zmysle. V dôsledku toho korunové koleso 3 dosahuje maximálne otáčky, ale v opačnom zmysle, než centrálne kolesá 15. Pretože obvodové rýchlosti korunového kolesa 3 a centrálneho kolesa 5 sú rovnaké, unášač 4 je zastavený, takže aj pri zapnutej spojke S1, traktor sa nepohybuje. Centrálne koleso 5 sa otáča naprázdno aj s hnacími lamelami spojky S2, ktorá je vypnutá.

1. rýchlostný rozsah: (0 až 15 km/h), unášač 4 sa otáča, spojka S1 zapnutá, spojka S2 vypnutá.

Postupným znižovaním geometrického objemu regulačného hydrogenerátora HG, sa súčasne znižujú otáčky hydromotora HM a cez ozubené kolesá 76 sa napokon znižujú aj otáčky korunového kolesa 3, ktoré sa otáča v opačnom zmysle ako hnacie centrálne koleso 1. V dôsledku zníženia otáčok korunového kolesa, sa väčšie ozubené koleso dvojitého satelitu 2, začne odvaľovať po vnútornom ozubení korunového kolesa 3, takže unášač 4 sa otáča v súhlasnom zmysle ako hnacie centrálne koleso 1. Z unášača 4 sa výkon prenáša ďalej cez zapnutú spojku S1 a ozubené kolesá 1415 až na kužeľový pastorok diferenciálu 16. Ako  je zrejmé z regulačného diagramu rýchlosti, znázorneného na Obr. 2, znižovanie geometrického objemu regulačného hydrogenerátora HG sa dosiahne znižovaním uhlu sklonu regulačného bloku hydrogenerátora zo zápornej hodnoty α = - 45° až na nulovú hodnotu α = 0°, pričom sa rýchlosť traktora postupne zvyšuje. V tejto súvislosti treba zdôrazniť, že v regulačnom rozsahu α = - 45°, hydromotor HM pracuje v režime hydrogenerátora a naopak, regulačný hydrogenerátor HG pracuje v režime regulačného hydromotora. V tomto prípade sa jedná o tzv. inverzný režim hydrostatického prevodu. Keď uhol sklonu regulačného bloku dosiahne nulovú hodnotu α = 0°  (bod B), korunové koleso sa zastaví a diferenciálny prevod pracuje s jedným stupňom voľnosti. Zvlášť je potrebné zdôrazniť, že pri tomto režime sa celý výkon motora prenáša mechanickou vetvou diferenciálnej prevodovky, pričom rýchlosť traktora v bode B dosahuje cca 8 km/h. Pri tejto rýchlosti je aj najvyššia účinnosť prevodovky a to až 95 percent, pretože celý výkon motora sa prenáša iba tromi pármi ozubených kolies.

Zvýšenie rýchlosti nad 8 km/h, sa dosiahne zmenou sklonu regulačného bloku hydrogenerátora, z nulovej polohy v kladnom zmysle, v celom regulačnom rozsahu α = 0° α = + 45°, t. j. z bodu B do bodu C. V tomto regulačnom rozsahu sa korunové koleso 3 otáča v rovnakom zmysle ako hnacie centrálne koleso 1. Takže zvyšovaním geometrického objemu hydrogenerátora HG, sa zvyšujú otáčky korunového kolesa 3 a súčasne aj unášača 4. Keď uhol sklonu regulačného bloku hydrogenerátora dosiahne maximálnu hodnotu α = + 45° (bod C), traktor dosiahne rýchlosť 15 km/h, čo zodpovedá maximálnej hodnote rýchlosti v 1. rýchlostnom rozsahu. Tým sú možnosti regulácie rýchlosti traktora v 1. rýchlostnom rozsahu prakticky vyčerpané, čo je napokon zrejmé z regulačného diagramu rýchlosti, znázorneného na Obr. 3.

Obr. 3: Regulačný diagram rýchlosti traktora s prevodovkou AutoPowr

Obr. 3: Regulačný diagram rýchlosti traktora s prevodovkou AutoPowr

2. rýchlostný rozsah: (15 až 42, alebo 50 km/h), hnané centrálne koleso 10 sa otáča, spojka S1 vypnutá, spojka S2 zapnutá.

Rýchlosť traktora 15 km/h sa dosiahne prechodom do 2. rýchlostného rozsahu, takže v bode C sa spojka S1 vypne a súčasne sa spojka S2 zapne. Potom sa výkon prenáša z hnaného centrálneho kolesa 5, cez zapnutú spojku S2 a ozubené kolesá 1415 na kužeľový pastorok diferenciálu 16. Unášač 4 sa v 2. rýchlostnom rozsahu otáča naprázdno, zatiaľ čo v 1. rýchlostnom rozsahu sa naprázdno otáča centrálne koleso 5.

Ďalšie zvyšovanie rýchlosti nad 15 km/h sa dosiahne znižovaním uhlu sklonu regulačného bloku hydrogenerátora. Pri uhle sklonu α = 0°, t. j. v bode D sa korunové koleso zastaví, čo zodpovedá rýchlosti cca 40 km/h. Rovnako ako v bode B, pri 1. rýchlostnom rozsahu a rýchlosti 8 km/h, tak aj v bode D, pri 2. rýchlostnom rozsahu a rýchlosti 40 km/h, sa celý výkon motora prenáša mechanickou vetvou diferenciálnej prevodovky. Zvyšovaním uhlu sklonu regulačného bloku hydrogenerátora v zápornom zmysle až na hodnotu α = - 45 °, t.j.  do bodu E, možno dosiahnuť maximálnu rýchlosť traktora až 63 km/h. Avšak maximálna rýchlosť je obmedzená na 42 km/h, pri otáčkach motora 1290 za minútu, alebo na 50 km/h, pri otáčkach motora 1615 za minútu.

Spätný chod: (0 až 18 km/h), unášač 4 sa otáča, brzda B zapnutá, spojka S1 vypnutá, spojka S2 vypnutá.

Zapnutím brzdy reverzora B sa korunové koleso 13 zastaví. Po vnútornom ozubení zastaveného korunového kolesa sa odvaľujú satelity 12, ktoré sú unášané unášačom 4, spoločne so satelitmi 11, ktoré sú v zábere s centrálnym kolesom reverzora 10. Aj, keď satelity 11 vykonávajú unášavý pohyb, ale v dôsledku súčasného otáčania okolo vlastnej osi, pôsobujú opačný zmysel otáčania centrálneho kolesa 10, oproti zmyslu otáčania unášača 4. Z centrálneho kolesa 10 sa cez spojkový náboj a ozubené kolesá 1415 prenáša výkon až na kužeľový pastorok diferenciálu 16.

Regulácia rýchlosti pri spätnom chode sa uskutočňuje rovnakým spôsobom ako pri jazde dopredu v 1. rýchlostnom rozsahu. To znamená reguláciou uhlu sklonu regulačného bloku hydrogenerátora v rozsahu α = - 45° až +45°, teda z bodu A do bodu C.

Vyššie popísaná prevodovka AutoPowr sa vyznačuje tým, že v oblasti agrotechnicky významných rýchlostí, t.j. v rozsahu 5 až 10 km/h sa podstatná časť výkonu cca 70 až 100 percent prenáša mechanickou vetvou, s maximálnou účinnosťou až 95 percent. Taktiež pri vyšších rýchlostiach nad 30 km/h používaných pri doprave výkon prenášaný mechanickou vetvou predstavuje podstatnú časť z výkonu motora. Možno teda konštatovať, že táto prevodovka aj pri relatívne zložitej konštrukcii má svoj praktický význam z hľadiska účinného prenosu výkonu.