MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2011 JAROMÍR KLIMEŠ

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Hydrostatické pohony mobilních energetických prostředků Bakalářská práce Vedoucí práce: Prof. Ing. František Bauer, CSc. Vypracoval: Jaromír Klimeš Brno 2011

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma hydrostatické pohony mobilních energetických prostředků vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis

4 Poděkování: Tímto bych rád poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce Prof. Ing. Františku Bauerovi, CSc. za jeho technické a věcné připomínky. Dále chci poděkovat firmě Agrotechnic Moravia za spolupráci a poskytnutí podkladů, které mi významně pomohly ke zkvalitnění bakalářské práce.

5 Abstrakt Cílem bakalářské práce je podání základního přehledu o hydrostatických pohonech, jejich nejpoužívanějších koncepcích a je zde také uveden jejich funkční popis. Tyto pohony jsou ve stále větší míře používané, a to především díky jejich nízké hmotnosti, snadnému koncepčnímu řešení a plynulému režimu jízdy a tím pádem lepší ekonomice provozu, na kterou bude čím dál více brán zřetel. V první části se seznámíte s problematikou současného stavu v konstrukci hydrostatických pohonů a s jejich výhodami a nevýhodami. Práce dále obsahuje popisy jednotlivých součástí těchto systémů se zaměřením na nejvyužívanější axiální pístové převodníky a jejich popis. V poslední části jsou detailněji popsané vybrané hydrostatické pohony od firem Fendt a Newholland. Klíčová slova: hydrostatický pohon, současná konstrukce, popis součástí Abstract The aim of my bachelor thesis is to provide a basic overview of hydrostatic drives, their most widely used concepts and there is also a reference to their functional description. These drives are increasingly used, particularly due to their low weight, simple conceptual solution and smooth drive system and therefore more efficient economy of operation, to which more and more attention will be focused. In the first part you will be introduced to today s problems of construction of hydrostatic drives and their advantages and disadvantages. The work also includes descriptions of separate parts of these systems with a focus on the most frequently used axial piston transducers / transforming mechanisms and their description. In the last part selected hydrostatical drives made by Fendt and Newholland company are described in more detail. Key words: hydrostatical drives, today s construction, description of individual parts

6 OBSAH 1 ÚVOD CÍL SOUČASNÝ STAV V KONSTRUKCI HYDROSTATICKÝCH POHONŮ Hydrostatické převody otevřený obvod uzavřený obvod HYDROMOTOR Axiální pístové hydromotory HYDROGENERÁTOR Axiální pístový hydrogenerátor Rotující blok válců, pístky poháněny ojnicemi, rotující hnací kotouč, lomená osa Rotující blok válců, pístky poháněny ojnicemi, rotující hnací kotouč, přímá osa Rotující blok válců, pístky poháněny pevnou nerotující šikmou deskou Pevný blok válců, písty poháněny rotující šikmou deskou TRAKTOROVÉ PŘEVODOVKY VARIO PŘEVODOVKA FENDT Neutrál Rozjezd a zrychlování Maximální rychlost Jízda vzad Možnosti ovládání pojezdu PLYNULÁ PŘEVODOVKA NEWHOLLAND MODELOVÁ ŘADA T BEZSTUPŇOVÁ PŘEVODOVKA AutoCommand Konstrukce Hydrostatická jednotka Schéma a popis jednotlivých částí: Rychlostní rozsahy Aktivní klidový stav a první rychlostní rozsah, (0 12,5 km/h) Druhý rychlostní rozsah (12,5 19 km/h)... 30

7 9.4.3 Třetí rychlostní rozsah (19 38 km/h) Čtvrtý rychlostní rozsah (38 70 km/h) Jízda vzad (0 až 16 km/h) Jízda vzad (16 až 35 km/h) ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 36

8 1 ÚVOD Zemědělské stroje jsou velmi významnou kapitolou v zemědělské aktivitě lidí a pomocí stále dokonalejších technických prostředků je člověk schopen vykonat mnohem více práce než před několika lety. Vývoj hydraulických prvků na zemědělských strojích je stále na vzestupu a tento trend bude jistě nadále pokračovat. Moderní zemědělské stoje svým technickým vybavením, snadnou ovladatelností a vysokým komfortem jsou vysoce účelné a je zde velmi reálná možnost snížení spotřeby nafty, což bude v další letech velmi významnou položkou při snížení nákladů na různé zemědělské operace. U nových strojů dochází ke zvýšenému používání rotačních hydromotorů, přičemž tento trend je celosvětový. K přenosu výkonu se využívá tlaková energie kapaliny. S postupným rozvojem hydrauliky ve strojích se začal zvyšovat tlak v hydraulických okruzích, kdy z počátečních 4 MPa, které se používaly někdy před 45 až 50 lety, se dnešní tlak vyšplhal na 35 až 45 MPa. Mezi nesporné výhody zvyšování tlaku patří menší rozměry celého hydraulického systému, nižší ztráty kapaliny v okruhu, nižší hmotnost jednotlivých prvků a další výhody, ale na druhou stranu tyto úpravy sebou přináší i nevýhody spojené s kratší životností a vyšší hlučností. Moderní technika klade vyšší nároky na organizaci práce a odbornost obsluhy zabezpečující její provoz. Proto je nezbytné, aby pracovníci, kteří se obsluhou této techniky budou zabývat, byli seznámeni s všemi jejími možnostmi a funkcemi. 2 CÍL Cílem mé práce bylo provést hodnocení současného stavu a konstrukce hydrostatických pohonů a u vybraných hydrostatických pohonů provést analýzu technických parametrů. V práci je provedena technická analýza u hydrostatické převodovky Vario a u nové hydromechanické převodovky od firmy Newholland. V závěru je uvedeno stručné hodnocení těchto převodovek. 8

9 3 SOUČASNÝ STAV V KONSTRUKCI HYDROSTATICKÝCH POHONŮ Přenos výkonu u hydrostatického pohonu je zajišťován pomocí tlakové energie kapaliny. Přenášený výkon můžeme vypočítat ze vztahu: P = Q p Kde: P = výkon [W] Q = objemový průtok [m 3 /s] p = tlak [Pa] Hydrostatický převod lze charakterizovat jako zdroj tlakové energie pomocí hydrogenerátoru, spojovacího vedení, řídících a pojistných prvků a hydromotorů. Předností těchto systémů je nízká měrná hmotnost na jednu jednotku výkonu, což nám umožní snadný přenos na určená místa. Účinnost hydrostatických systémů je v rozmezí 0,8 až 0,9. Dnešní hydrostatické pohony jsou konstruovány na základě požadavků na co nejvyšší výkon při co nejnižších nákladech, rozměrech, požadavcích na údržbu, náchylnosti na okolní vlivy a na co nejvyšší životnost. Výrobci se snaží zachovat co nejjednodušší ovládání pro komfort obsluhy a co nejkvalitnější zpracování ovládacích prvků. 3.1 Hydrostatické převody Hydrostatické převody pomocí tlakové energie kapaliny přenáší výkon. Generátor spotřebovává mechanický výkon a ten mění v tlakovou energii kapaliny, která se odvádí pomocí potrubí do hydromotoru, kde je přeměněna na užitečnou práci. Hydrostatické převody využívají jako základní prvky generátor a jeden nebo více hydromotorů. Existuje několik typů generátorů i hydromotorů lamelové, zubové nebo pístové. Nejvyužívanější jsou pístové generátory a hydromotory, a to z těchto důvodů: a) Jsou schopny fungovat při vyšším tlaku a tím lze zmenšit rozměry jednotek i potrubí na jednotku výkonu, tedy i hmotnost celého systému. b) Malé mechanické ztráty a velká objemová účinnost. c) Lze změnit pracovní objem, který nám umožní jednoduchou změnu výstupního kroutícího momentu a otáček. 9

10 Mechanické převody mají vyšší životnost a účinnost než hydrostatické převody. Hydrostatické převody jsou vhodné především tehdy, když nevýhody jsou převáženy výhodami plynoucími z použití hydrauliky. Výhody hydrostatických převodů jsou: - Umožňují plynulou změnu výstupních otáček v širokém rozsahu. - Jsou schopné stálé činnosti i při velmi nízkých otáčkách a plném kroutícím momentu. - Jsou schopné snadno změnit smysl otáčení. - Mají ochranu proti přetížení v podobě přepouštěcího ventilu v hydraulickém obvodu, který zároveň omezuje zatížení všech jednotek i hnacího motoru a jeho nastavený maximální tlak určuje maximální kroutící moment na hřídeli hydromotoru. - Disponují velmi malými setrvačnými silami, z tohoto důvodu mají velmi dobrou rychlost reakce. - Lze plynule zvyšovat otáčky od nuly, při využití nejvyššího kroutícího momentu. - Mohou být voleny v širokém rozsahu velikostí a kombinací jak hydromotor, tak i generátor s proměnným nebo konstantním pracovním objemem. - Vzájemný pohyb jednotek dovoluje použití hadic k přenášení tlakové kapaliny. - Jednotky lze umístit co nejvýhodněji z hlediska funkce, protože nejsou na sebe vázány mechanickou vazbou. Hydrostatické převody mají také své nevýhody: - Zhoršení přenosu energie zapříčiňují vysoké ztráty, ke snížení ztrát pracovní tlakové kapaliny je zapotřebí velmi přesné výroby součástek a kvalitní provozní údržba. - Ovládací orgány hydrostatického převodu pracují s nízkými průtoky a tím pádem jsou citlivé na nečistoty v pracovní kapalině. - Změna teploty pracovní kapaliny vyvolává změnu vazkosti kapaliny, z tohoto důvodu se mění i průsaky a kinematické charakteristiky mechanizmu (otáčky hydromotoru, průtok). - Hydrostatiké převody jsou cenově nákladnější než mechanické převody. 10

11 Ani uvedené nedostatky nezabraňují rozmachu hydrostatických mechanizmů, které jsou stále častěji využívané v konstrukci zemědělských strojů. Tento trend je celosvětový, protože hydrostatické mechanizmy umožňují přenos energie způsobem, který se vyznačuje bezpečností, snadnou ovladatelností a kompaktností. Hydrostatické převody lze rozdělit na dva základní celky, a to z hlediska vedení pracovní kapaliny otevřený obvod Obr. 3.1 otevřený obvod [5] 1 - hydrogenerátor, 2 - hydromotor, 3 - rozvaděč, 4 - pojistný ventil, 5 - filtr Hydrogenerátor nasává pracovní kapalinu z nádrže a přivádí ji k hydromotoru. Změna smyslu hydromotoru je zajištěna pomocí třípolohového šoupátka, které ve střední poloze může blokovat hydromotor. Okruh je chráněn před přetížením pomocí pojišťovacího ventilu. Otevřený obvod má poměrně velkou nádrž na pracovní kapalinu, poměrně menší část vykonává pracovní funkce, po vykonané práci se kapalina vrací zpět do nádrže o velkém obsahu a ploše, pomocí které je zajištěno účinné chlazení pracovní kapaliny a lze tedy udržet teplotu kapaliny v přijatelných mezích. Výhoda nádrže spočívá v tom, že olej se může ustálit, nečistoty se usadí a unášené vzduchové bubliny snadno unikají. Kapalina je ve 11

12 stálém styku se vzduchem, a proto je nutné zajistit účinné odvzdušňování zařízení. Otevřené obvody potřebují velké množství oleje uzavřený obvod ObrO Obr. 3.2 uzavřený obvod [5] 1 - hydrogenerátor, 2 - hydromotor, 3 - rozvaděč, 4 - pojistný ventil, 5 - pomocný hydrogenerátor Tento systém je hojně využíván pro hydrostatické trakční pohony v některých mobilních zařízeních. Za předpokladu, že je hydraulický obvod uzavřený, má generátor možnost reverzace průtoku kapaliny s plynulou změnou dodávky od nuly do maxima v obou směrech. Hydraulický obvod je složen z hlavního hydrogenerátoru a hydromotoru, jejichž pracovní objem je řízen obsluhou pomocí servoovládání. Pomocí zpětných ventilů jsou obě větve spojovacího potrubí spojeny s přepouštěcím ventilem nízkotlakého potrubí, který má za úkol omezit pracovní tlak v plnícím obvodu. Do nízkotlaké větve hlavního obvodu je kapalina dopravena prostřednictvím pomocného generátoru přes filtr a zpětné ventily, vyrovnává úniky kapaliny v hlavním obvodu a také dodává pracovní kapalinu pro servoovládání. Přebytečná kapalina pomocného obvodu je odváděna pomocí nízkotlakého přepouštěcího ventilu do nádrže. Ochrana hydrostatického okruhu proti přetížení je zajištěna pomocí pojišťovacích ventilů, ty zajišťují, že v okruhu nedojde k překročení tlaku, na který jsou nastaveny. Zatížení kol udává pracovní tlak v hlavní větvi. Když je generátor v nulové poloze a hydromotor má maximální zdvih, tak je systém připraven na rozběh. Rychlost je zvyšována pomocí zvětšování pracovního objemu generátoru až na jeho maximální hodnoty a dále snižováním pracovního objemu 12

13 hydromotoru, přičemž je generátor neustále v maximální hodnotě. Změnou směru průtoku kapaliny zajistíme reverzaci, a to při stejném sledu změn pracovních objemů. Teoretické množství kapaliny je dáno obsahem uzavřeného pracovního obvodu. Hydrogenerátor vytlačuje kapalinu k hydromotoru a odtud zpátky k sání generátoru, z tohoto důvodu je oteplení kapaliny větší než u otevřeného obvodu. Za předpokladu, že je kapalina pod stálým tlakem, není nebezpečí, že by do systému vnikal vzduch. Když se činnost přeruší a systém chladne, zmenšuje se objem kapaliny a za pomocí netěsností je nasáván vzduch, který zapříčiňuje při další práci nepravidelnosti, protože vzduchové bubliny ovlivňují stejnosměrnost pohybu. Z tohoto důvodu se do systému vkládají nasávací ventily, pomocí kterých se nasává potřebné množství kapaliny nahrazující ztráty netěsnostmi nebo změnou objemu v důsledku chladnutí kapaliny. Pomocný hydrogenerátor dodává do obvodu tlakovou kapalinu a tím zajišťuje stálý přetlak v obvodu. 4 HYDROMOTOR Přivedeme-li vstupním otvorem kapalinu do hydromotoru, začne se rotor rotačního hydromotoru otáčet. Nad pístek hydromotoru, který je v horní úvrati je přiváděna tlaková kapalina, která tlačí pístek do spodní úvrati, tento pohyb je přenášen na hřídel hydromotoru, ze kterého lze odebírat točivý moment. Při pohybu pístu z dolní úvrati do horní je kapalina z prostoru válce vytláčena do odpadního potrubí, které je bez tlaku. 4.1 Axiální pístové hydromotory Mimo řadových pístových hydromotorů lze použít všechny ostatní typy pístových jednotek jako hydromotory. V některých případech je u pístových jednotek potřeba udržovat v odpadu protitlak, zatímco u lamelových nebo zubových hydromotorů je odpad požadován bez tlaku. Hodnota protitlaku je závislá na robustnosti stavby funkčních elementů, na typu a způsobu uchycení mezi pístky a výstupním hřídelem a jeho hodnota se pohybuje např. mezi 0,5 0,8 Mpa pro jmenovité tlaky 32 Mpa. Již zmiňovaný protitlak slouží k zajištění nuceného pohybu pístků hydromotoru. Pístové radiální hydromotory jsou využity obzvláště tam, kde jsou požadavky na vysoký točivý moment a nízké otáčky. Samotný radiální motor tyto požadavky je schopen splnit u nižších a středních výkonů a zároveň nevyžaduje redukční převod, ale má větší hmotnost a rozměry. Avšak pro zajištění vysokých výkonů je radiální 13

14 hydromotor nadměrně velký a nemá dostatečnou účinnost. Pro jeho velké rozměry a velikost příslušných ztrát lze v tomto případě využít kombinaci pístového axiálního hydromotoru s mechanickým redukčním převodem. 5 HYDROGENERÁTOR Energie v hydraulické soustavě se přenáší pomocí proudící kapaliny o určitém tlaku. Přeměna mechanické energie na energii proudící tlakové energie se odehrává v zařízení zvaném hydrogenerátor. Požadovaný tlak a dodávané množství jsou hlavní požadavky kladené na hydrogenerátor, avšak nemá být zdrojem nežádoucích pulsací tlaku a jeho účinnost má být co nejvyšší, tímto se zamezí nadměrnému zahřívání. 5.1 Axiální pístový hydrogenerátor Obr. 5.1 axiální pístový hydrogenerátor s nakloněným blokem 1 - hnací hřídel, 2 - příruba hnacího hřídele, 3 - ojnice, 4 - píst, 5 - blok s válci, 6 - rozvodný kotouč, 7 - rozvodné výřezy, D - výstupní tlakové vedení, V L - připojení pro odvádění průsaků do nádrže 14

15 Osy jednotlivých válců axiálních pístových hydrogenerátorů leží na válcové nebo kuželové ploše, přičemž osa této plochy je osou hnacího hřídele. Axiální hydrogenerátory lze rozdělit na několik typických konstrukčních uspořádání. - Rotující blok válců, pístky jsou poháněny ojnicemi, které jsou vázané na pohyb rotujícího skloněného hnacího kotouče (s osou bloku stejnou jako s osou hnacího kotouče nebo s lomenou osou). - Rotující blok válců, pístky jsou poháněny nerotující (pevnou) šikmou deskou. - Nerotující blok válců, pístky jsou poháněny rotující šikmou deskou Rotující blok válců, pístky poháněny ojnicemi, rotující hnací kotouč, lomená osa S tímto uspořádáním udává velikost zdvihu pístků sklon os. Hnací kotouč je pevnou částí hnacího hřídele a vyvolává pohyb pístků v obou směrech. Písty jsou spojeny pomocí ojnic s hnacím kotoučem. Můžeme tedy říci, že hydrogenerátor má samonasávací schopnost. Aby bylo zajištěno souhlasné otáčení bloku válců a hnacího hřídele s kotoučem, tak je použito kardanova kloubu, nebo je tak učiněno samotným spojením pomocí ojnic. Pomocí sklonu os se provádí regulace dodávaného množství, tedy natáčením hnací části vůči bloku válců hydrogenerátoru. Tento typ pístového hydrogenerátoru je nejčastěji v kombinaci s hydromotorem obdobného typu v daném hydrostatickém převodu. Sklon os hydrogenerátoru bývá velmi často vázán na sklon os hydromotoru Rotující blok válců, pístky poháněny ojnicemi, rotující hnací kotouč, přímá osa Pístní čepy jsou uloženy v části hnacího hřídele v rotujícím kotouči sklopném vůči hnacímu hřídeli. Spoj mezi hnacím hřídelem a rotujícím kotoučem je zajištěn kloubem, za jehož pomoci je také poháněn od hnacího hřídele. Hnacím hřídelem je přímo zajištěn pohon bloku. Na pístech vytvářené síly od tlakové kapaliny jsou přenášeny přímo na hnací hřídel, respektive desku pohonu, kde jejich složky kolmé k ose otáčení dávají točivý moment a složky ve směru osy jsou zachyceny v ložiskách. Na čele bloku válců mezi ním a rozvodovou hlavou je umístěn šoupátkový rozvod kapaliny. Rozvodové otvory jsou většinou v takzvaném tvaru ledvin. Styková rozvodová plocha je buď rovinná nebo kulová. U hydrogenerátoru s přímou osou regulujeme dodávané množství 15

16 kapaliny pomocí naklonění hnacího rotujícího kotouče, přičemž vnější obrys hydrogenerátoru se nemění Rotující blok válců, pístky poháněny pevnou nerotující šikmou deskou Hnací hřídel pohání blok válců, pístky jsou opřeny o šikmou desku, vůči ose bloku skloněnou, a při otáčení vykonávají přímočarý vratný pohyb. Tento typ hydrogenerátoru se dělí na dvě konstrukčně odlišné skupiny. Rozdíl je ve způsobu styku pístků se šikmou deskou. První skupina se vyznačuje pístky, které se opírají přímo o kotouč, který rotuje současně s blokem válců. Kotouč je za pomocí ložiska uložen na pevné šikmé desce. Osa otáčení kotouče je kolmá k pevné šikmé desce a trvale skloněna vůči ose bloku válců a tedy hnacímu hřídeli. Uvnitř válců jsou pružiny, které dotláčí pístky k opěrnému kotouči, aby byl zajištěn samonasávací efekt. Druhá skupina nemá otáčivý kotouč, prostřednictvím kluzátek jsou pístky přímo opřeny o desku. Kluzátka jsou spojena s pístky pomocí kulového kloubu. V pístku je otvor, kterým je do kluzátka přiváděna tlaková kapalina, která umožňuje silové vyvážení. Mezi kluzátky a pevnou šikmou deskou se vytváří kapalinové tření. Trvalý styk kluzátek s pevnou opěrnou deskou je zajištěn dotlačovacím prstencem, který je zatížen centrální pružinou, čímž je dosaženo samonasávacího efektu. Plnění a vyprazdňování válců je ovládáno pomocí šoupátkového rozvodu Pevný blok válců, písty poháněny rotující šikmou deskou V tělese hydrogenerátoru je pevně umístěn blok válců, pomocí samočinných ventilů je ovládáno plnění a vyprazdňování. Pomocí rotace šikmé desky, která je poháněna hnacím hřídelem je zajištěn vratný přímočarý pohyb pístků. Styk pístků je řešen pomocí rotujícího kotouče, uloženého vůči rotující desce na ložisku, nebo pomocí kluzátek, po nichž klouže rotující šikmá deska. Výhodou tohoto hydrogenerátoru je vysoká průtoková účinnost v důsledku minimálních objemových ztrát rozvodu. Nevýhodou těchto hydrogenerátorů je přeměna točivého momentu na tlak kapaliny, radiální síly mezi válci a písty způsobují velké třecí síly, a to má za následek zhoršení mechanické účinnosti a opotřebení stěn válců a pístků. Hydrogenerátor lze regulovat pomocí změny sklonu opěrné šikmé desky, a to za konstantních hnacích otáček. 16

17 6 TRAKTOROVÉ PŘEVODOVKY Traktorové převodovky tvoří jednu z klíčových konstrukčních součástí traktoru, pomocí které lze výrazně ovlivňovat spotřebu paliva a výkonnost prováděné operace. Právě otáčky spalovacího motoru a velikost točivého momentu mají rozhodující vliv na účinnost, s jakou pracuje spalovací motor a tím i spotřebu paliva. Obecně lze říci, že nejvyšší účinnost spalovacího motoru je v oblasti nejvyššího točivého momentu. Provoz spalovacího motoru v této oblasti umožní dosahovat nejnižší spotřeby paliva. Aby se tato skutečnost dala prakticky realizovat, musí být splněny alespoň dvě podmínky: 1. Traktor resp. převodovka musí disponovat velkým množstvím převodových stupňů, aby bylo možné při změně zatížení upravit velikost převodového poměru, přesněji řečeno točivého momentu. Tento bod lze realizovat mechanickou převodovkou s velkým počtem převodových stupňů nebo použitím mechanizmu, který zajistí plynulou změnu převodového poměru, tzv. bezstupňovou převodovku. 2. Traktor musí být vybaven automatickým řízením převodového poměru s vazbou na otáčky motoru, neboť obsluha by jen velmi obtížně reagovala na změny zatížení řazením. Pokles otáček za hranici nejvyššího točivého momentu by znamenal v případě nepodřazení zhasnutí spalovacího motoru. Nejrozšířenější řešení plynulé změny převodového poměru je u zemědělské techniky realizováno hydrostaticky, pomocí změny vytlačovaného objemu kapaliny, alespoň jednoho ze členů hydraulické soustavy, hydrogenerátoru nebo hydromotoru. Změna vytlačovaného objemu kapaliny se provádí regulací sklonu bloku s písty nebo desky, o kterou se písty opírají. Velikost výkonu přenášeného hydrostatikou je pak rovna součinu tlaku a průtoku kapaliny. Tato koncepce se uplatňuje v přímém použití bez další mechanické vazby jako je tomu např. u samojízdných postřikovačů, u kterých jsou hydromotory umístěny přímo v kolech stroje. Další koncepce je založena na sériovém řazení hydrostatické a mechanické části jako je tomu např. u sklízecí mlátičky. 17

18 Ve spojitosti s bezstupňovými převodovkami se používá několik zkratek: CVT (Continuously Variable Transmission) obecný výraz pro bezstupňové převodovky, IVT (Infinitely Variable Transmission) toto označení se uvádí u bezstupňových převodovek, které umožňují plynulý přechod jízdy vozidla vzad bez řazení soukolí pro změnu smyslu otáčení výstupního hřídele, HST (Hydrostatic Transmission) plynulá změna převodového poměru je řešena hydrostatickým převodníkem bez výkonového dělení, HMT (Hydro-Mechanical Transmission) jedná se o převodovky s výkonovým dělením na hydrostatickou a mechanickou část. Tomu odpovídá konstrukce dnešních bezstupňových převodovek traktorů. Bezstupňové technologie přenosu výkonu motoru nejsou dnes nic přelomového, neboť většina myšlenek a vzniklých prototypů pochází z počátku minulého století. Jejich vývoj a použití bylo směřováno nejprve k osobním automobilům a až o 50 let později se začaly objevovat první prototypy u traktorů. Plynulou změnu převodového poměru lze dosáhnout různými konstrukčními řešeními, které lze ještě dále rozdělit na přímé využívání uvedených řešení nebo s tzv. výkonovým dělením, kdy část výkonu motoru je přenášena přes bezstupňovou technologii a druhá část mechanickou cestou. 7 VARIO PŘEVODOVKA FENDT [1] U převodovky Vario je od motoru poháněn unašeč satelitů převodů. Od korunového kola je poháněn hydrogenerátor. Planetové kolo je přes ozubené kolo spojeno se skupinovou převodovkou. 18

19 Obr. 7.1 uspořádání převodovky Vario [1] Hydrostatický převodník je složen z axiálního regulačního pístového hydromotoru a regulačního hydrogenerátoru. Regulační rozsah, neboli velikost úhlu α, je u hydrogenerátoru -30 až 45 a hydromotorů 0 až 45. Tlak kapaliny dosahuje hodnoty 40 MPa. Mechanickou část převodovky tvoří planetové soukolí a skupinová dvoustupňová převodovka. Výkon motoru přenášený mechanickými převody se sčítá s výkonem přenášeným hydrostaticky na sumarizační hřídeli. Funkci převodovky vystihují čtyři základní stavy: neutrál, rozjezd a zrychlování, nejvyšší rychlost a jízda vzad. 19

20 Obr. 7.2 schéma převodovky Vario [1] 1 - tlumič torzních kmitů, 2 - planetový převod, 3 - korunové kolo, 4 planetové kolo, 5 unašeč satelitů, 6 hydrogenerátor, 7 hydromotor, 8 sumarizační hřídel, 9 skupinová převodovka 7.1 Neutrál Točivý moment motoru je přiváděn na unašeči satelitů. Výstupní část planetového převodu je planetové kolo, které se neotáčí. Satelity se odvalují po planetovém kole a roztáčí korunové kolo, které přes převod otáčí hydrogenerátorem. Hydromotor je nastaven na maximální geometrický objem. Jelikož dodávka hydrogenerátoru je 0, hydromotor a tím i planetové kolo se neotáčí. 7.2 Rozjezd a zrychlování Stejně jako při neutrálu je točivý moment motoru přiveden na unašeč. Změny nastávají u hydrostatického převodníku. Regulační blok hydrogenerátoru se začíná sklánět a měnit tak úhel α k maximálním vyklonění α = 45. V tomto okamžiku se začne zvětšovat jeho geometrický objem. Regulační blok hydromotoru zůstává v poloze maximálního sklonu, ale nyní se již otáčí. V planetovém soukolí se začíná otáčet 20

21 planetové kolo a traktor se začíná pohybovat. Hydrogenerátor stále zvyšuje svůj sklon až do okamžiku dosažení sklonu α = 45. Pokud se zatížení nezvyšuje, začne se regulační blok hydromotoru pohybovat směrem k α 0. Traktor stále zrychluje při klesající úhlové rychlosti korunového kola. 7.3 Maximální rychlost Nastane v okamžiku, při kterém hydromotor dosáhne polohy α = 0. Tím dojde k vyřazení hydrostatické části a výkon je veden pouze mechanickou větví od motoru na unašeč, satelity a planetové kolo. Za tohoto stavu dosáhne planetové kolo nejvyšší úhlové rychlosti. Nejvyšší pojezdová rychlost přesáhne 50 km/h. 7.4 Jízda vzad Jízda vzad je způsobena vykloněním hydrogenerátoru z polohy α = 0 na opačnou stranu než pro jízdu vpřed. Moment motoru je veden stejnou cestou jako v ostatních případech. Hydromotor má na počátku regulace geometrický objem V 0 = 0. Protože je hydrostatický převodník reverzační, dojde ke změně pracovního režimu. Hydromotor nyní pracuje jako hydrogenerátor a hydrogenerátor jako hydromotor. Po změně začne hydrogenerátor zvyšovat geometrický objem a hydromotor se začne otáčet. Úhlová rychlost korunového kola se bude zvyšovat a planetové kolo změní smysl otáčení. Točivý moment je přenášen do skupinové převodovky, kde lze zařadit synchronizační spojkou polní (0,02 32 km/h) nebo silniční (0,02 50 km/h) pro jízdu vpřed. Pro jízdu vzad jsou k dispozici dva rozsahy: polní 0,02 20 km/h a silniční 0,02 38 km/h. Ve skříni převodovky je umístěn pohon přední nápravy a vývodového hřídele. 7.5 Možnosti ovládání pojezdu Pojezd lze ovládat prostřednictvím páky (joysticku) nebo pedálem pojezdu. Při pohybu pákou vpřed (vzad) traktor zrychluje (zpomaluje). Pohybem páky přes neutrál pojede traktor dozadu bez sešlápnutého pedálu spojky. U traktoru Fendt se používá TMS (Traktor Management System), který označuje společný management motoru a převodovky. 21

22 TMS umožňuje čtyři varianty ovládání: - Bez TMS předvolba otáček motoru pedálem nebo ručním akcelerátorem a pohybem joysticku v loketní opěrce regulace pojezdové rychlosti. - Kombinace TMS a joysticku nyní se reguluje převodovka a otáčky motoru pouze joystickem. Pohybem vpřed zrychluje a vzad zpomaluje, motor přizpůsobuje otáčky automaticky podle zatížení. Nožní pedál se nepoužije. - Kombinace TMS a pedálu ovládání je stejné jako v předchozím případě, ale místo joysticku se používá pedál pojezdu. - V,,lineárním TMS otáčky motoru se úměrně s pojezdovou rychlostí zvyšují nebo snižují (konstantní převodový poměr). 8 PLYNULÁ PŘEVODOVKA NEWHOLLAND MODELOVÁ ŘADA T7500 Obr. 8.1 převodovka Newholland řada T7500 Konstrukčně je tvořena hydrostatickou jednotkou, zastoupenou axiálním pístovým regulačním hydrogenerátorem (regulace Vg - geometrického objemu) sklonem desky, +/- 20 ) a axiálním pístovým hydromotorem s konstantním Vg, smontované do jednoho 22

23 celku (oba disponují geometrickým objem Vg = 55 cm 3, max. pracovní tlak 43 MPa a průměrný tlak je 23 MPa). Druhou, mechanickou část tvoří složený planetový převod skládající se ze čtyř JPS (jednoduché planetové soukolí) rozdělených na tři skupiny. Sumarizační planetový převod (P1,P2), planetovou převodovku (P3,P4) a reverzační planetový převod (P5). Řazení probíhá pomocí zubových spojek ovládaných tlakem oleje při stlačení a rozpínáním pomocí pružiny. Čtyři zubové spojky jsou pro jízdní rozsahy, a po jedné pro jízdu vpřed a vzad Obr. 8.2 Schéma č. 1 - postup kroutícího momentu převodovkou Točivý moment motoru pohání hřídel (1), a tím současně soukolí (6) (mechanická část), prostřednictvím které vstupuje na korunové kolo (P1), sčítacího planetového převodu (7) a také soukolí (2), kterým pohání hydrogenerátor (3) a zajišťuje tak příkon hydrostatické části. Současně se hřídelem (1) přenáší výkon na vývodový hřídel. Axiální hydrogenerátor pohání hydromotor (4) s (Vg = konst). Točivý moment z hydrostatického převodníku je přenášen pomocí soukolí (5) na planetové kolo (P1) sčítacího převodu. Z části sčítacího převodu vystupuje moment do planetové převodovky (8), kde v závislosti na pojezdové rychlosti přechází z centrálních kol na unašeč této 23

24 převodovky, nebo je přímo veden unašečem sčítacího převodu (7), aniž by procházel částí (8). Z planetové převodovky vystupuje do reverzační planetové převodovky, která určuje směr jízdy. Jestliže je sepnutá spojka (KV), traktor jede vpřed. Jízda vzad je při sepnuté spojce (KR) Obr. 8.3 Schéma č. 2 - postup kroutícího momentu převodovkou Točivý moment motoru přechází od hřídele (1) na soukolí (6), přes které otáčí korunovým kolem (7) části (P1) a současně soukolím (2) pohání hydrogenerátor (3), který přes hydromotor (4) a soukolí (5) otáčí centrálním kolem (P1). Otáčky centrálního i korunového kola jsou stejné ale opačné, ovšem obvodová rychlost je odlišná. Výsledkem je pohyb unašeče, který je společný pro obě planetová soukolí (P1, P2). Protože korunové kolo soukolí (P2) stojí a unašeč se otáčí, musí se pohybovat planetové kolo společné pro (P2, P4). U soukolí (P3) je sepnutá spojka (K1), a proto stojí i korunové kolo. 24

25 V převodu (P3) stojí planetové i korunové kolo a proto stojí i unašeč. Ten je společný i pro (P4), ze kterého vystupuje do reverzační planetové převodovky (9), ve které je sepnutá spojka (KV jízda vpřed) a odtud na rozvodovku. Tím je dosaženo klidového stavu umožňujícího zastavení a stání v kopci Obr. 8.4 Schéma č.4 - postup kroutícího momentu převodovkou Točivý moment motoru je rozváděn stejným způsobem jako v klidovém stavu při sepnuté spojce (K1) a (KV). Jakmile řidič sešlápne pedál rychlosti, dojde k naklápění hydrogenerátoru z jedné krajní polohy do druhé (α = -/+20 ). Tím dojde ke změně Vg a tedy i hydrostatického převodu, což se projeví postupným snižováním otáček planetového kola převodu (P1). Poroste obvodová rychlost unašeče soukolí (P1,P2). Zvýšení otáček unašeče způsobí pohyb korunového kola soukolí (P2) a tím i centrálního kola (P3), které při sepnuté spojce (K1) zajistí pohyb unašeče převodu (P3, P4). Ten tvoří výstupní část zajišťující přes sepnutou spojku (KV) pohyb traktoru, jehož velikost bude narůstat až na rychlost 8,045 km/h. V okamžiku dosažení (α = 0, Vg = 0) nedodává hydrogenerátor žádný tlakový olej hydromotoru a výkon motoru je přenášen pouze mechanicky. 25

26 9 BEZSTUPŇOVÁ PŘEVODOVKA AutoCommand Charakteristika a výhody této převodovky jsou: - Plynulá převodovka CVT v rozsahu 0 50 km/hod. - 4 mechanické rozsahy pro jedinečnou účinnost km/hod. při 1550 ot./min., což snižuje náklady na provoz v dopravě. - Dvě spojky minimalizují ztráty kroutícího momentu. - Integrované plazivé převody s rychlostí 30 m/hod. nezávisle na otáčkách motoru. - Automatické řízení produktivity (APM) automatické snížení otáček motoru pokud není zapotřebí plného výkonu úspora paliva. - Kola s šikmým ozubením pro jemnější chování za různých otáček. Obr. 9.1 převodovka AutoCommand 9.1 Konstrukce 1. 4 mechanické převody vpřed a 2 vzad umožňují excelentní účinnost. 2. Dvě spojky umožní minimalizovat ztráty kroutícího momentu. 3. Slučovací převod pracuje s otáčkami motoru a hydrostatu. 26

27 4. Hydraulické čerpadlo má geometrický objem Vq=110cm³ pro zvládání těžkých podmínek. 5. Kola s šikmým ozubením pro jemnější chovaní za různých otáček Obr. 9.2 Konstrukce převodovky AutoCommand 9.2 Hydrostatická jednotka Hydrostatická jednotka pochází od firmy Bosch-Rexroth, což je velmi známá a úspěšná firma co se týče konstrukce hydrostatických komponentů. Hydraulické čerpadlo s geometrickým objemem Vq=110ccm 3 přenáší obrovský točivý moment. Obousměrný hydromotor disponuje geometrickým objemem Vq= 90ccm 3. 27

28 Obr. 9.3 hydrostatická jednotka 9.3 Schéma a popis jednotlivých částí: Obr. 9.4 řez převodovkou 28

29 A-Spojka, B-Spojka, 1-Setrvačník s hydraulickým tlumičem torzních kmitů, 2-Unašeč satelitů, 3-Planetové kolo, 4-Satelit, 5-Planetové kolo, 6-Korunové kolo, 7-Pohon korunového kola, 8-Soukolí F1 (první převodový rozsah), 9-Synchronizační spojka (Převody F1/F3), 10-Soukolí F3 (Třetí převodový rozsah), 11(23)-Soukolí pro jízdu vzad R1, 12(21)-soukolí F2 (druhý převodový rozsah), 13-Soukolí R2 (druhý stupeň pro jízdu vzad), 14-Synchronizační spojka (Převody F4/R2), 15-Soukolí F4 (čtvrtý převodový rozsah), 16-kryt, 17-Oddělovací deska, 18-Vývodový hřídel, 19-Hnaný hřídel (spojka B), 20-Hnaný hřídel (spojka A), 22-Synchronizační spojka F2/R1, 9.4 Rychlostní rozsahy V neutrální poloze nebo parkovací poloze převodovka nepřenáší žádný výkon ani kroutící moment. Převodovka nemá zařazený žádný mechanický převodový stupeň a spojky A / B jsou rozpojené. Pokud se traktor neúmyslně pohybuje v neutrální poloze, tak bude docházet k rozdílným otáčkám. Aby se předešlo neúměrnému rozdílu otáček, tak je bude hydrostatická jednotka vyrovnávat. To znamená, že při zařazení mimo neutrální polohu bude zvolen odpovídající převodový stupeň a otáčky na synchronu budou vyrovnané Aktivní klidový stav a první rychlostní rozsah, (0 12,5 km/h) Obr. 9.5 schéma pro první rychlostní rozsah Aktivní klidový stav je charakterizován stojícím traktorem bez nutnosti aktivace ruční brzdy. Při stání traktoru je aktivovaný první převodový stupeň. Aby se dosáhlo tohoto 29

30 stavu, musí se zajistit, aby unašeč satelitů, který je výstupní částí, zůstal v klidu a neotáčel se. To je možné pouze při otáčení korunového kola a centrálního kola do vzájemně opačného směru. Aby se traktor rozjel, musí dojít k otáčení unašeče. Za předpokladu konstantních otáček centrálního kola dojde ke snižování otáček korunového kola prostřednictvím poklesu geometrického objemu hydrogenerátoru. V okamžiku, kdy bude rychlost korunového kola nulová, pak je veškerý výkon motoru přenášen pouze mechanicky. Skloněním regulační desky hydrogenerátoru do opačného směru dojde ke změně směru proudění oleje, kde byl původně výtlak je nyní sání a tam kde bylo sání je nyní výtlak. Regulační deska se postupně sklání, až na úroveň max. sklonu, což představuje 8. V tomto okamžiku se traktor pohybuje max. rychlostí na první rozsah (0 12,5 km/h) Druhý rychlostní rozsah (12,5 19 km/h) Obr. 9.6 schéma pro druhý rychlostní rozsah Při zařazeném prvním rychlostním rozsahu se automaticky předřazuje druhý rychlostní rozsah, který ale není aktivní, dokud není dosaženo max. rychlosti v prvním rozsahu. Při dosažení tohoto stavu se plynule sepne lamelová spojka B (viz obr. řez převodovkou) a výstupní částí z planetového převodu se stává centrální kolo. Pro zvýšení pojezdové rychlosti musí dojít k poklesu otáček korunového kola, které se realizuje snižováním geometrického objemu hydrogenerátoru. V okamžiku, kdy se korunové kolo zastaví (sklon regulační desky hydrogenerátoru je roven α = 0, pak je veškerý výkon motoru 30

31 přenášen jen mechanickou částí převodovky. V tomto okamžiku dosahuje pojezdová rychlost 18 km/h. Dalším skloněním regulační desky hydrogenerátoru do opačného směru se otáčky centrálního kola dále urychlí, a tím se ještě zvýší pojezdová rychlost. Sklon regulační desky zde dosahuje přibližně α = 1-2. Při tomto sklonu jede traktor max. rychlostí 19 km/h ve druhém převodovém rozsahu Třetí rychlostní rozsah (19 38 km/h) Obr. 9.7 schéma pro třetí rychlostní rozsah Další zrychlování nastane zařazením třetího rozsahu, při kterém se výstupní částí stává unašeč slučovacího převodu. Třetí rychlostní převod je aktivován lamelovou spojkou A. Regulační deska hydrogenerátoru začne snižovat sklon, což způsobí zvyšování otáček unašeče. Jakmile je sklon regulační desky nulový, bod 2, pak dochází k přenosu výkonu motoru pouze mechanickou částí převodovky. Další zvýšení rychlosti nastane plynulým sklonem regulační desky do opačného sklonu až do téměř max. sklonu. 31

32 9.4.4 Čtvrtý rychlostní rozsah (38 70 km/h) Obr. 9.8 schéma pro čtvrtý rychlostní rozsah Poslední rozsah se zařadí lamelovou spojkou B. Výstupní částí z převodu je centrální kolo 5. Regulační deska hydrogenerátoru je nyní vykloněna do krajní polohy a otáčky korunového kola dosahují svého maxima. Postupným snižováním sklonu dochází k zpomalování korunového kola a zvyšování otáček výstupního členu, centrálního kola. Jakmile dosáhne sklon nulové hodnoty, výkon motoru se opět přenáší pouze mechanicky. Dalším sklonem regulační desky do opačného směru dochází k dalšímu urychlování centrálního kola. Jakmile sklon desky dosáhne svého maxima, pak dosahuje rychlost traktoru 70 km/h. 32

33 9.4.5 Jízda vzad (0 až 16 km/h) Obr. 9.9 schéma pro jízdu vzad (0 až 16 km/h) Při jízdě vzad se slučovací planetový převod chová stejně jako při jízdě vpřed, tzn. výstupní částí je unašeč, jehož otáčky se začínají postupně zvyšovat podle toho, jak se mění sklon regulační desky hydrogenerátoru. Platí zde stejný popis jako při situaci v neutrále a jízdě vpřed na první rychlostní stupeň. Změna směru otáčení se realizuje přímo ve stupňovité části převodovky prostřednictvím předlohového hřídele. Unašeč satelitů je spojený s ozubeným kolem, které je přes předlohový hřídel spojené s výstupním hřídelem z převodovky. Jakmile dosahuje pojezdová rychlost traktoru 16 km/h, předřazuje se synchronizační objímka pro druhý rozsah jízdy vzad a lamelová spojka A se plynule rozepíná za současného zapínání lamelové spojky B. 33

34 9.4.6 Jízda vzad (16 až 35 km/h) Obr schéma pro jízdu vzad (16 až 35 km/h) Situace ve slučovacím planetovém převodu odpovídá jízdě vpřed na druhý převodový rozsah. Výstupní částí je planetové kolo. Rozdíl je pouze v tom, že regulační deska hydrogenerátoru při přechodu přes nulový úhel pokračuje až do max. sklonu, neboť se zvyšuje převodový poměr ve stupňovité části převodovky. Výkon ze slučovacího planetového převodu je veden přes ozubené kolo, předlohový hřídel a ozubené kolo na výstupní hřídel z převodovky. 34

35 10 ZÁVĚR Vývoj hydrostatických pohonů je na stálém vzestupu, neustále se zdokonalují všechny jejich součásti od hydrogenerátorů a hydromotorů až po zpětné ventily, spojovací hadice a potrubí, pomocí kterého je rozváděna kapalina mezi jednotlivé části, a nejen proto již bezpochyby úspěšně konkurují mechanickým převodovkám i u traktorů s nižšími výkony. Vario převodovka je konstrukčně starší, mechanického převodu u ní lze dosáhnout až při 50 km/h, tudíž při polních pracích nemá tak dobrou účinnost jako převodovka od Newhollandu, která má při rozhodujících rychlostech pro polní práce mechanický převod a tudíž lepší účinnost, a proto je lepší na rozhodující tahové práce a je efektivnější než převodovka Vario. Pokrok v oblasti vývoje hydropohonů zcela jasně ukazuje, že i ekonomické hledisko hraje ne bezvýznamnou úlohu při výběru mechanizace pro jednotlivá odvětví národního hospodářství. Výkon, efektivita a nízké provozní náklady jsou nespornou výhodou hydrostatických převodovek, které jsou v současné době při volbě mechanizačních prostředků jednoznačně na vzestupu. Tyto typy pohonů dokazují, že finanční prostředky ušetřené provozem strojů takto vybavených, mohou být a určitě budou i nadále vkládány do výzkumu a vývoje stále kvalitnější techniky a technologie, která je i do budoucna příslibem zvýšení kvality provozu, komfortu obslužnosti a produktivity práce. V dnešní době jsou hydrostatické pohony nejvíce využívány v zemědělství a stavební technice, ale jejich použití v komunální technice, malé zahradní mechanizaci či automobilové dopravě je jen otázkou času a prostředků vynaložených do aplikace hydrostatických pohonů v mechanizaci pro tato odvětví. 35

36 11 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1 a, b, c BAUER, F., SEDLÁK, P., ŠMERDA, T. Traktory. 1. vyd. Praha: Profi Press s.r.o., c s. ISBN BAUER, F., RYŠAVÝ, I. Hydraulické systémy mechanizačních prostředků. 2. vyd. Vydala Vysoká škola zemědělská v Brně 1985, 140 s. ISBN e-85 3 BAUER, F., STĚNIČKA, B. Mobilní energetické prostředky vyd. Vydala Vysoká škola zemědělská v Brně 1983, 265 s. ISBN BAUER, F. Traktory s plynulou a stupňovou převodovkou v dopravě. Mechanizace zemědělství. 2000, č. 7, s a,b VECHET, S. Lio ' s web [online]. C , cit Prezentace 6.ppt. Dostupný z WWW: 6 firemní podklady, nejmenovaný zdroj z Case 7 firemní podklady, nejmenovaný zdroj z Agrotec Internetové zdroje