Konštrukcia a účinnosť prevodoviek traktorov
Prevodové ústrojenstvo traktorov pozostáva z dvoch samostatných funkčných a konštrukčných celkov a to prevodovky a rozvodovky. Zatiaľ čo, konštrukcia rozvodovky univerzálnych kolesových traktorov obsahuje štandardne kužeľový diferenciál a spravidla planetové koncové prevody, pri pásových traktoroch sa vyskytujú odlišné konštrukčné riešenia rozvodovky. Tieto závisia predovšetkým od použitého systému smerového riadenia, ale aj od celkovej koncepcie prenosu výkonu na pásy.
Ale, čo sa týka traktorových prevodoviek, pri súčasných traktoroch sa vyskytuje široké spektrum rôznych konštrukčných riešení, aj keď určitá unifikácia v tomto smere samozrejme existuje. Dokonca v niektorých prípadoch je v ponuke jeden a ten istý typ traktora s dvomi navzájom konštrukčne odlišnými druhmi prevodoviek. V tomto smere typickým príkladom sú traktory JOHN DEERE výkonového radu 8R/8RT (217 až 291 kW).
Jednotlivé druhy traktorových prevodoviek sa odlišujú nielen konštrukciou, ale aj rozdielnou účinnosťou, o čom bude pojednané v ďalších častiach tohto príspevku.
Druhy traktorových prevodoviek
Podľa konštrukcie a spôsobu radenia prevodových stupňov v súčasnosti sa v traktoroch používajú nasledovné druhy prevodoviek:
- mechanické stupňové s radením bez zaťaženia (pri vypnutej spojke),
- mechanické stupňové s násobičom krútiaceho momentu s čiastočným radením pod zaťažením (vez vypnutia spojky),
- mechanické stupňové s radením pod zaťažením v celom rozsahu prevodových stupňov,
- diferenciálne (mechanicko-hydrostatické) s plynulou zmenou prevodu v celom rozsahu.
Mechanické stupňové prevodovky s radením bez zaťaženia teda pri vypnutej spojke sa v súčasnosti najčastejšie používajú na malotraktoroch a prípadne na starších traktoroch s výkonom motora do 30 kW. Výhodou týchto prevodoviek je jednoduchá konštrukcia, vysoká životnosť a prevádzková spoľahlivosť. Na druhej strane pri práci s náradím a nízkej pojazdovej rýchlosti sa pri preraďovaní prevodových stupňov traktor zastaví a znovu rozbieha, v dôsledku čoho sa znižuje výkonnosť traktorovej súpravy a tiež aj životnosť spojky. Moderné stupňové prevodovky sú vybavené úplnou synchronizáciou, ktorá umožňuje jednoduchšie a bezhlučné radenie prevodových stupňov, najmä pri vyšších pojazdových rýchlostiach.
Mechanické stupňové prevodovky s násobičom krútiaceho momentu umožňujú pre každý prevodový stupeň zaradiť pod zaťažením ďalší jeden, alebo dva prevodové stupne, tzv. medzistupne s prevodom do pomala. Keď napr. traktor na 1. prevodový stupeň dosiahne pri menovitých otáčkach rýchlosť 5 km/h a na 2. prevodový stupeň 8 km/h, potom pri zaradenom 2. prevodovom stupni použitím násobiča dosiahneme rýchlosť 7 a 6 km/h. Podobne, keď traktor na 3. prevodový stupeň dosiahne rýchlosť 14 km/h, potom použitím násobiča dosiahneme rýchlosť 12 a 10 km/h. Praktický význam týmto spôsobom riešenej prevodovky sa evidentne prejaví najmä pri energeticky náročných technologických operáciách, napr. pri orbe v premenlivých pôdnych a terénnych podmienkach. Samozrejme, že použitím násobiča je prevodovka konštrukčne zložitejšia. Násobič krútiaceho momentu je najčastejšie dvoj- alebo trojstupňový planetový prevod, ovládaný hydraulicky cez lamelové spojky a brzdy.
Mechanické stupňové prevodovky s radením pod zaťažením v celom rozsahu prevodových stupňov (tzv. POWERSHIFT) predstavujú už dlhšiu dobu určitý štandard v prevodovom ústrojenstve traktorov vyšších výkonových tried. Z konštrukčného hľadiska môžu byť riešené buď ako planetové, alebo tzv. dvojtokové. Radenie prevodových stupňov môže byť buď manuálne, alebo automatické. Nevýhodou týchto prevodoviek je konštrukčná zložitosť a z toho vyplývajúca cena. Taktiež prípadné opravy sú technicky i cenovo náročné.
Diferenciálne hydrostatické prevodovky predstavujú najatraktívnejšie prevodovky používané na súčasných traktoroch. Ich atraktívnosť spočíva v tom, že umožňujú plynulú reguláciu pojazdovej rýchlosti traktora, čo vonkoncom nie je možné dosiahnuť žiadnym mechanickým prevodom okrem variátora. Tieto prevodovky sa vyznačujú tým, že jedna časť výkonu motora sa prenáša mechanickou vetvou a druhá časť hydrostatickou vetvou. Samotná plynulá regulácia prevodu a tým aj regulácia pojazdovej rýchlosti sa uskutočňuje reguláciou hydrostatického prevodu. Keďže účinnosť hydrostatického prevodu sa mení v závislosti na zaťažení a samotné zaťaženie je dané prenášaným výkonom, ktorý je v tomto prípade závislý od prevodu bude aj celková účinnosť diferenciálnej hydrostatickej prevodovky závislá od pojazdovej rýchlosti traktora.
Účinnosť mechanických prevodoviek
Pri každom prenose výkonu dochádza k stratám, ktoré sa v žiadnom prípade nedajú vylúčiť, ale možno ich iba obmedziť. Z technického hľadiska je významný pojem „účinnosť“ prenosu výkonu, ktorá je daná pomerom výstupného výkonu k vstupnému výkonu. V technickej praxi sa vstupný výkon nazýva ako „príkon“ a výstupný výkon jednoducho „výkon“. Pretože absolútna hodnota účinnosti je vždy menšia ako jedna, jej hodnota sa často udáva v percentách. Pokiaľ je známa hodnota účinnosti, potom pre daný vstupný výkon si každý dokáže jednoducho vypočítať výstupný výkon a taktiež aj stratový výkon.
V prevodovom ústrojenstve traktorov sa výkon motora vždy prenáša cez niekoľko párov ozubených kolies, pričom pre jeden pár ozubených kolies a taktiež pre jednoduchý planetový prevod po zábehu sa počíta s účinnosťou ηm = 0,98. Aj keď počet spoluzaberajúcich párov ozubených kolies prenášajúcich výkon sa mení v závislosti od zaradeného prevodového stupňa, bežne sa uvažuje s účinnosťou prevodového ústrojenstva traktorov ηm = 0,90. Uvedená hodnota účinnosti zodpovedá piatim párom spoluzaberajúcich a v sérii za sebou usporiadaných ozubených kolies, čo je napokon zrejmé z nasledovného vzťahu
ηm=0,98.0,98.0,98.0,98.0,98=0,985=0,90
To prakticky znamená, že pri výkone motora 100 kW, sa na hnacie kolesá prenesie iba 90 kW, a chýbajúcich 10 kW predstavujú straty resp. stratový výkon. Tieto straty vznikajú predovšetkým trením v ozubených kolesách, ložiskách, ale aj vírením mazacieho oleja. Totižto boky zubov sa pri vzájomnom zábere ideálne po sebe neodvaľujú, ale sa čiastočne šmýkajú, v dôsledku čoho dochádza k nežiaducemu šmykovému treniu. Celý stratový výkon sa mení na teplo, ktoré sa odvádza do ovzdušia cez skriňu prevodovky a rozvodovky, hlavne cez chladič oleja, pokiaľ je traktor vybavený chladiacim okruhom prevodového oleja. Súčasné traktory majú vo väčšine prípadov spoločnú náplň oleja pre prevodovku aj pre hydrauliku, takže hydraulika má tiež svoj podiel na zahrievaní olejov náplne. Dokonca pri súčasnom používaní viacerých vonkajších hydraulických okruhov, môže byť vývoj tepla od hydrauliky väčší, než od prevodového ústrojenstva, myslí sa tým prevodovka a rozvodovka. Výkon potrebný na pohon hydrogenerátorov (hydraulických čerpadiel) sa nepovažuje za stratový, a taktiež straty v hydraulických okruhoch, tiež nie sú zahrnuté do účinnosti prevodového ústrojenstva.
Samozrejme, že všetko, čo bolo doposiaľ uvedené v súvislosti s prenosom výkonu a účinnosťou prevodového ústrojenstva je založené na určitých zjednodušujúcich predpokladoch. V reálnych prevádzkových podmienkach sa účinnosť prevodového ústrojenstva traktorov mení v rozsahu od 80 do 95 percent, a to v závislosti od prenášaného výkonu, teda na zaťažení, teplote olejovej náplne a tiež na technickom stave prevodovky a ďalších faktoroch. Zhoršenie technického stavu prevodového ústrojenstva, alebo niektorej jeho časti, sa spravidla prejavuje zvýšenou hlučnosťou, a často aj zvýšeným obsahom kovových častíc v oleji. Všeobecne platí zásada, že so zvyšovaním zaťaženia sa účinnosť prevodového ústrojenstva zvyšuje, a po dosiahnutí maximálnej hodnoty účinnosti, ďalším zvyšovaním pojazdovej rýchlosti traktora účinnosť znižuje. Priebeh účinnosti prevodového ústrojenstva v závislosti na zaťažení sa presne stanoviť výpočtom nedá, ale možno ho stanoviť jedine experimentálnym meraním na skúšobnom zariadení.
Z hľadiska prenášaného krútiaceho momentu, a teda silového zaťaženia prevodového ústrojenstva sa najmenšie zaťaženie dosahuje pri najvyššom prevodovom stupni. Totižto stupňové prevodovky traktorov sú spravidla konštrukčne riešené tak, že pri zaradenom najvyššom prevodovom stupni, sú vstupné a výstupné otáčky rovnaké. To prakticky znamená, že cez kužeľový pastorok diferenciálu vstupuje do rozvodovky krútiaci moment motora. V tomto prípade, okrem vstupného a výstupného hriadeľa, všetky rotujúce časti prevodovky sú v nezaťaženom stave, a straty výkonu sú minimálne, pretože sú spôsobené prevažne vírením olejovej náplne, naprázdno otáčajúcimi sa ozubenými kolesami. Z uvedeného je zrejmé, že účinnosť prevodovky a vôbec celého prevodového ústrojenstva je veličina premenlivá, a závislá na mnohých faktoroch.
Účinnosť diferenciálnych hydrostatických prevodoviek
Problematika súvisiaca s funkciou, konštrukciou a prevádzkovými vlastnosťami diferenciálnych traktorových prevodoviek je pomerne zložitá a je podrobnejšie analyzovaná príslušnej firemnej dokumentácii. Popri hlavnej výhode, ktorá spočíva v plynulej regulácii prevodu, nevýhodou diferenciálnych hydrostatických prevodoviek je v ich nižšia účinnosť, v porovnaní so stupňovými mechanickými prevodovkami. Ako je v odbornej verejnosti známe, nižšia hodnota celkovej účinnosti je spôsobená nižšou účinnosťou hydrostatického prevodu, prostredníctvom ktorého sa reguluje diferenciálny prevod.
V prípade diferenciálnej hydrostatickej prevodovky sa jedna časť výkonu motora mechanickou vetvou a druhá časť hydrostatickou vetvou. Obidve časti prenášaného výkonu sa na výstupe diferenciálneho hydrostatického prevodu sumarizujú na výsledný výstupný výkon. Vzájomný pomer výkonu prenášaného mechanickou vetvou k výkonu motora sa mení v závislosti na celkovom prevodovom pomere a teda aj v závislosti na pojazdovej rýchlosti traktora. Súčasne sa mení aj vzájomný pomer výkonu prenášaného mechanickou vetvou k výkonu prenášaného hydrostatickou vetvou. V tejto súvislosti treba poznamenať, že regulácia celkového prevodu medzi otáčkami motora a otáčkami na výstupe diferenciálnej prevodovky sa uskutočňuje plynulou reguláciou hydrostatického prevodu. S funkčného hľadiska ako aj z hľadiska celkovej účinnosti diferenciálnej hydrostatickej prevodovky treba zdôrazniť, že vzájomný pomer výkonu prenášaného mechanickou a hydrostatickou vetvou závisí pri tom istom prevode aj od celkového usporiadania hydrostatického prevodu. To v konečnom dôsledku znamená, že uvedený pomer výkonov bude v obrátenom pomere v prípade, že je diferenciál umiestnený na vstupe oproti prípadu keď je diferenciál umiestnený na výstupe diferenciálnej hydrostatickej prevodovky.
Z experimentálnych meraní a príslušných výpočtov celkovej účinnosti diferenciálnej prevodovky ηc, v závislosti na pomere výkonov x (pomer výkonu prenášaného mechanickou vetvou k výkonu motora), pre konštantnú účinnosť mechanického prevodu ηm = 0,95 a rôzne hodnoty účinnosti hydrostatického prevodu ηh = 0,5 až 0,9 jednoznačne vyplýva, že so zvyšovaním pomeru výkonov x sa lineárne zvyšuje celková účinnosť ηc (v rozsahu 0,55 až 0,95) a to pre všetky uvažované hodnoty účinnosti hydrostatického prevodu ηh. Pretože pomer výkonov x sa priamo úmerne zvyšuje so zvyšovaním výkonu Pm prenášaného mechanickým prevodom, vývoj diferenciálnych hydrostatických prevodoviek sa uberá tým smerom, aby táto časť prenášaného výkonu bola pokiaľ možno, čo najvyššia v celom rozsahu pojazdovej rýchlosti traktora. Zrejme táto požiadavka bola v plnom rozsahu zohľadnená, aj pri konštrukcii diferenciálnej hydrostatickej prevodovky AutoPowr, ktorá v tzv. štyroch modusoch zabezpečuje prenos premenlivej časti výkonu Pm cez mechanický prevod. To prakticky znamená, že pri štyroch hodnotách pojazdovej rýchlosti traktora sa celý výkon motora prenáša cez mechanický prevod, pričom celková účinnosť diferenciálnej prevodovky vtedy dosahuje maximálnu hodnotu cca 95 percent, čo zodpovedá účinnosti mechanickej stupňovej prevodovky.
Aj napriek tomu, že obsah tohto príspevku je spracovaný ilustračne, na základe značného počtu zjednodušujúcich predpokladov, môže v odbornej verejnosti vyvolať dojem zložitosti prezentovanej problematiky. Takýto dojem je skutočne oprávnený, lebo výkon privedený na hnacie kolesá traktora sa ďalej transformuje na ťahový výkon, v dôsledku čoho sa celá problematika prenosu výkonu motora ešte viac komplikuje. Napokon ekonomická prevádzka traktorov, výstižnejšie povedené traktorových súprav vyžaduje, aby odborná verejnosť bola principiálne oboznámená, aj s problematikou, ktorá pri súčasných, doslova existenčných problémoch poľnohospodárov môže byť považovaná za okrajovú.
