Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Převodová ústrojí traktorů Bakalářská práce Vedoucí práce: prof. Ing. František Bauer, CSc. Vypracoval: Jakub Katrenčík Brno 2009 6
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Převodová ústrojí traktorů 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 AF MZLU v Brně. dne... podpis diplomanta... 7
ABSTRAKT Pro konečného uživatele je hlavní podmínkou při výběru nového traktoru jeho cena, na druhém místě je ekonomika provozu. Tyto faktory spolu souvisí. Konečnou cenu traktoru významně ovlivňuje volba převodovky. Jednoduché mechanické převodovky jsou základním řešením, zatímco hydromechanické převodovky představují nejdražší volbu. Proto je důležité znát vlastnosti jednotlivých převodovek, abychom si mohli zvolit optimální traktor. V této práci se věnuji několika nejpoužívanějším traktorovým převodovkám. Převodovce Vario, která je milníkem mezi traktorovými převodovkami. Převodovce Power Shift s řazením pod zatížením a převodovce Turboshift vybavené kapalinovou spojkou. Dále je představen možný vliv zvolené převodovky na spotřebu paliva a celkovou ekonomiku provozu. Získané výsledky mohou pomoci při poznávání jednotlivých převodovek a při výběru vhodné převodovky do nového traktoru. Klíčová slova: - převodovka, konstrukce, porovnání, Vario, Power Shift, Turboshift, spotřeba paliva. The price is for a final user the main factor in the selection process of a new agricultural machine; the second is economy of operation. These factors are both significantly interrelated. Choice of gearbox is about to considerably influence the final price of tractor. Simple mechanical gearbox is a basic solution, while hydro-mechanical gearbox is the most expensive choice. Therefore, it is important to know characteristics of each gearbox, so that we could select an optimal gearbox for our tractor. This work describes basic principles of gearboxes, which are available on our market. Some of gearboxes are described more in detail. It is Vario gearbox, the breaking point in technology of tractors gearboxes, Power Shift with possibility of on-load gear shifting, and Turboshift equipped with hydraulic gearbox. Further, the work examines a potential impact of gearbox selection on fuel consumption and the overall economy of operations. Obtained results may help to understand particular gearboxes and may possibly assist in selection of suitable gearbox for a new tractor. Key words: - gearbox, construction, confrontation, Vario, Power Shift, Turboshift, fuel consumption. 8
1.0 ÚVOD... Chyba! Záložka není definována. 2.0 SOUČASNÝ STAV V KONSTRUKCI TRAKTORŮ... Chyba! Záložka není definována. 2.1 Motor... Chyba! Záložka není definována. 2.1.1 Vstřikování paliva... Chyba! Záložka není definována. 2.1.2 Přeplňování... Chyba! Záložka není definována. 2.2 Hydraulická soustava... Chyba! Záložka není definována. 2.3 Kabina... Chyba! Záložka není definována. 2.4 Převodovky... Chyba! Záložka není definována. 2.4.1 Mechanické převodovky se synchronizačními spojkami..chyba! Záložka není definována. 2.4.2 Převodovky s násobičem točivého momentu... Chyba! Záložka není definována. 2.4.3 Převodovky PowerShift s řazením pod zatížením... Chyba! Záložka není definována. 2.4.4 Převodovky s hydrodynamickou spojkou... Chyba! Záložka není definována. 2.4.5 Hydrostatické diferenciální převodovky... Chyba! Záložka není definována. Převodovka Fendt Vario... Chyba! Záložka není definována. Hydrogenerátor (1) a hydromotor (2)... Chyba! Záložka není definována. Vzájemné polohy hydrogenerátoru a hydromotorů:... Chyba! Záložka není definována. Sumarizační hřídel (3)... Chyba! Záložka není definována. Řazení rozsahu rychlosti (4)... Chyba! Záložka není definována. Planetový převod (5)... Chyba! Záložka není definována. Ovládání a možnosti nastavení převodovky Vario... Chyba! Záložka není definována. Možnosti jízdy... Chyba! Záložka není definována. 3.0 CELKOVÉ HODNOCENÍ... Chyba! Záložka není definována. 3.1 Úplná otáčková charakteristika motoru... Chyba! Záložka není definována. 3.2 Porovnání mechanické převodovky a mechanické převodovky s násobičem točivého momentu... Chyba! Záložka není definována. 3.3 Porovnání mechanické a hydromechanické převodovky. Chyba! Záložka není definována. 9
3.4 Otáčková charakteristika traktoru Fendt 920 Vario TMS Chyba! Záložka není definována. 3.4.1 Měření úplné otáčkové charakteristiky... Chyba! Záložka není definována. 3.4.3 Využití otáčkové charakteristiky v praxi... Chyba! Záložka není definována. Teoretické porovnání režimů jízdy traktoru Fendt 920 Vario TMS...Chyba! Záložka není definována. 4.0 ZÁVĚR... Chyba! Záložka není definována. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... Chyba! Záložka není definována. SEZNAM OBRÁZKŮ... Chyba! Záložka není definována. 10
1.0 ÚVOD Díky požadavkům na vysoký výkon a točivý moment traktorových motorů, šel vývoj od jednoduchých traktorů se zážehovými dvoudobými motory a s jednoduchými mechanickými převodovkami až po moderní traktory s výkonnými přeplňovanými vznětovými čtyřdobými motory s hydromechanickými převodovkami. V posledních dekádách se však k požadavku výkonu přidává jeden důležitý faktor, a to nízká spotřeba paliva. Toho se musí držet i výrobci traktorů. S tím je spojen neustálý vývoj a modernizace všech částí traktorů. Základem traktorů je hnací agregát. Vznětové spalovací motory, které se dnes využívají, jsou vybaveny moderními vysokotlakými vstřikovacími systémy Common Rail, vysokotlakým přeplňováním s mezichladičem stlačeného vzduchu, navyšováním výkonu za určitých podmínek a mnoha dalšími systémy umožňující dosahovat vysokého výkonu s relativně nízkou spotřebou paliva. Nejnovější metodou zvyšování účinnosti motoru je turbokompoidní technologie, která využívá kinetické energie točícího se turbodmychadla. Výrobci jsou však limitovaní mnoha faktory. Nejvíce limitujícím faktorem jsou normy udávající maximální obsah škodlivin ve výfukových plynech. Motor však není jediným činitelem, na kterém závisí spotřeba paliva. Bez kvalitní převodovky může i ten nejlepší motor pracovat velmi neekonomicky. Zaškolená a správně motivovaná obsluha je schopna využívat potenciál elektronicky řízeného motoru a převodovky na 100 % a tím dosahovat výborných hodnot spotřeby a efektivity práce. 11
2.0 SOUČASNÝ STAV V KONSTRUKCI TRAKTORŮ 2.1 Motor Výrobci motorů jsou nuceni vyvíjet motory, které splňují přísné emisní normy. Na druhou stranu uživatelé traktorů požadují výkonné motory s nízkou spotřebou pohonných hmot. Tyto požadavky nutí konstruktéry neustále zdokonalovat technická řešení jednotlivých prvků motoru. Vývoj je velmi nákladný, proto se výrobci snaží o univerzální využití motorů a využití jednoho agregátu pro více modelových řad traktorů. Velký pokrok zaznamenáváme zejména v oblasti tvorby směsi a vstřikování paliva. Díky emisním normám je zajímavé sledovat vývoj v oblasti nakládání s exhalacemi - od systémů s recirkulačním ventilem až po vstřikování močoviny do výfukových plynů. Obr 2.1.1 Spalovací motor 2.1.1 Vstřikování paliva Nejrozšířenějším vstřikovacím systémem u traktorových motorů je vysokotlaké vstřikování Common Rail. Vstřikovací systém paliva Common Rail se skládá z elektrického podávacího čerpadla, jemných čističů paliva, vysokotlakého čerpadla, zásobníku tlaku,,railu, vysokotlakého potrubí a vstřikovačů. Obr 2.1.2 Vstřikovací systém Bosch Common Rail 12
Čerpadlo dodává tlak do zásobníku tlaku, tlak v zásobníku se mění podle otáček motoru. Stlačené palivo je potrubím vedeno ke vstřikovačům. Vstřikovače poslední generace Common Railu jsou elektromagnetické, to umožňuje rozdělit dávku paliva až na 8 částí. Rozdělení dávky paliva změkčuje chod motoru a zlepšuje kvalitu spalování. Vstřikovací tlak dosahuje až 250 MPa, při takovém tlaku dochází k atomizaci paliva. Palivo, které není vstříknuto do válce, je odváděno zpět do nádrže. 2.1.2 Přeplňování Všichni výrobci se snaží zvyšovat výkon bez významných změn charakteristiky motoru a toho lze dosáhnout přeplňováním. Přeplňování zajišťuje dodávku co největší hmotnosti vzduchu o vyšším tlaku než je atmosférický. U traktorových motorů se k přeplňování používá turbodmychadlo. Turbodmychadlo se skládá z dmychadla, hřídelky, turbíny a axiálních ložisek. Kinetická energie výfukových plynů roztáčí turbínové kolo. S turbínovým kolem je spojeno dmychadlové kolo, které má stejné otáčky jako turbínové kolo. Dmychadlové kolo je tvořeno lopatkami stlačujícími vzduch. Některá turbodmychadla mají na dmychadlovém kole lopatky s proměnnou geometrií, která umožňuje měnit dávku vzduchu v závislosti na otáčkách a zatížení motoru. Stlačený vzduch se pak zahřívá, zvyšuje svůj objem, a proto je za dmychadlem chladič stlačeného vzduchu. V chladiči se sníží teplota - sníží se objem, tím se do válce přivede větší množství vzduchu. Otáčky turbodmychadla mohou dosáhnout až 100 000 min -1, Obr 2.1.3 Turbodmychadlo proto je nutné mazat ložiska tlakovým olejem z mazací soustavy motoru. 13
2.2 Hydraulická soustava Brzdy, zvedací ramena, u některých traktorů řazení, odpružení a hydraulická soustava připojeného nářadí jsou poháněny hydraulickou soustavou traktoru. Hydraulická soustava se skládá z olejové nádrže, u některých traktorů je totožná s nádrží oleje převodovky, moderní traktory mají ale nádrž na převodový olej a olej pro hydraulickou soustavu oddělené. V menších traktorech se používá hydrogenerátor se stálým geometrickým objemem, u velkých traktorů se používá hydraulika Load Sensing s axiálním hydrogenerátorem s proměnným geometrickým objemem. K usměrňování toku oleje rychlospojkami slouží rozvaděče, přičemž každý hydraulický okruh má svůj rozvaděč. Průtok hydraulického oleje způsobuje jeho zahřívání, proto musí být v soustavě chladič, který bývá umístěn v přední části traktoru blízko Obr 2.2.1 Hydraulická soustava traktoru ventilátoru. Hydraulická soustava nářadí je spojena s traktorem pomocí externích výstupů - rychlospojek. (Bauer, a kol. 2006.) 2.3 Kabina Obsluha traktoru tráví v kabině dlouhé pracovní směny, a proto je nutné neustále zlepšovat pohodlí, klima a ergonomii kabiny. Dnes je již standardem odpružená kabina s plochou podlahou, pneumaticky odpružená sedačka s aktivním povrchem, klimatizace, rádio a další. Umístění ovládacích prvků bývá na jednom dobře dostupném místě, většinou na loketní opěrce sedačky v dosahu pravé ruky. Výhled z kabiny je zajištěn čtyřsloupkovou konstrukcí a pohodlný nástup je umožněn širokými dveřmi. (Bauer, a kol. 2006.) 14
Obr 2.3.1 Kabina traktoru Massey Ferguson 8690 2.4 Převodovky V posledních letech bylo na vývoj převodovek vynaloženo mnoho finančních prostředků a času. Výrobci si totiž uvědomují, že převodovka má velký vliv na využití motoru a na provozní parametry traktoru. 2.4.1 Mechanické převodovky se synchronizačními spojkami Převodovky mění točivý moment pomocí synchronizačních spojek, které spojují ozubená kola. Ozubená kola jsou na vstupním hřídeli uložena volně otočně, na výstupním hřídeli jsou uložena pevně, v některých případech mohou tvořit jeden celek s výstupním hřídelem. Synchronizační spojka je na vstupním hřídeli uložena volně posuvně, to znamená, že se může posunovat ze strany na stranu a otáčí se zároveň s hřídelem. Ozubená kola jsou z části ponořená v olejové lázni a při otáčení kol dochází k rozstřiku oleje po celé skříni převodovky. 15
Při řazení musí být vypnuta spojka, aby byl přerušen točivý moment. Potom je řadicí pákou přesunuta synchronizační spojka do záběru s požadovaným ozubeným kolem. Dnes se používají zejména synchronizační spojky s jištěnou synchronizací. Ta spočívá v tom, že na ozubeném kole i synchronizační spojce je plocha ve tvaru kužele. Přesouváním synchronizační spojky se nejdříve spojí tyto plochy čímž, dojde k vyrovnání otáček a díky tomu k zařazení rychlosti. Obr 2.4.1Princip činnosti synchronizační spojky Mechanická převodovka Shuttle Command je plně synchronizovaná. Převodovku Shuttle Command používají stroje koncernu CNH a tvoří ji tři základní části - reverzační převodovka (a), hlavní převodovka (b) a skupinová převodovka (c). První synchronizační spojkou je volen směr jízdy, F vpřed a R vzad. Ve skupinové převodovce se volí mezi silničním (H), polním (L) a středním (M) rozsahem. 16
Obr 2.4.2 Schéma převodovky Shuttle Command Obr 2.4.4 Ovládání mechanické převodovky 17
2.4.2 Převodovky s násobičem točivého momentu U převodovky s násobičem točivého momentu je kombinován násobič točivého momentu s klasickou převodovkou. Násobič točivého momentu pracuje na principu planetového soukolí. Planetové soukolí je doplněno lamelovou spojkou a pásovou brzdou. Vstup do násobiče je přes korunové kolo, výstup je z unašeče satelitů. Pokud je pásová brzda (tmavě zelená) zabrzděná, centrální kolo stojí. Tím dojde ke změně převodového poměru. V druhém případě je sepnutá lamelová spojka, čímž se spojí se unašeč satelitů s centrálním kolem, tím dochází k přímému záběru. Násobič nemění točivý moment před vstupem do převodovky. V tomto případě jde o dvoustupňový násobič, v praxi se používají i vícestupňové násobiče. Změna točivého momentu se může uskutečnit pod zatížením. Další změna probíhá v hlavní převodovce stejně jako ve výše popsaném případě. Ovládání násobiče je elektrohydraulické pomocí tlačítek na řadící páce. Obr 2.4.5 Princip činnosti násobiče točivého momentu Násobiče točivého momentu využívá ve svých převodovkách AutoQuad John Deere. První dvě skupiny převodovky (a, b) jsou tvořeny planetovými převody. Druhý násobič se dvěma řadami satelitů slouží jako reverzační převodovka. Jako poslední je hlavní pěti stupňová převodovka (A - E). Točivý moment z motoru jde na korunové kolo prvního násobiče. Výsledný převodový poměr je závislý na tom, jaká brzda (B 1-4 ) nebo jaká spojka (S 1 ) je sepnuta. Jednotlivé převodové stupně mohou být takto rozděleny na 4 části. 18
Výsledný počet převodových stupňů je 20/20. Při jízdě vpřed je sepnuta lamelová spojka S 2. Při reverzaci se sepne lamelová brzda B 4 a se zároveň sepnutou lamelovou spojkou S 2 dojde ke změně smyslu otáčení. Hlavní převodovku tvoří mechanická převodovka se synchronizačními spojkami. Obr 2.4.6 Schéma převodovky AutoQuad Obr 2.4.7 Převodovka AutoQuad 19
Elektronické řízení motoru a převodovky AutoQuad umožňuje automatické ovládání násobiče točivého momentu. Po zařazení hlavního převodového stupně můžeme tlačítkem v pravém sloupku kabiny zvolit ekonomický nebo výkonový režim. Podle zvoleného režimu dojde k přeřazení na vyšší/nižší převodový stupeň při předem naprogramovaných otáčkách. Obr 2.4.8 Ovládání převodovky AutoQuad 2.4.3 Převodovky PowerShift s řazením pod zatížením Převodovka PowerShift umožňuje měnit točivý moment pod zatížením. Všechny převodové poměry se mohou řadit bez přerušení točivého momentu. To umožňují lamelové spojky. Počet převodových stupňů odpovídá počtu lamelových spojek. Na vstupním hřídeli jsou ozubená kola uložená pevně, na výstupním hřídeli jsou uložena volně otočně. Mazání je zde řešeno z části rozstřikem otáčením ozubených kol a tlakovým olejem. V lamelové spojce jsou dva druhy lamel. Lamela s vnitřním ozubením (zelená) je spojena s ozubeným kolem, lamela s vnějším ozubením (červená) je spojená s výstupním hřídelem. Při řazení je přiváděn tlakový olej k ovládacímu pístku. Ten se posouvá a stlačuje lamely k sobě - dojde ke spojení ozubeného kola s výstupním hřídelem. Při přeřazování dochází ke snižování tlaku v jedné spojce a k nárůstu tlaku ve druhé spojce. Tím dojde k přeřazení bez přerušení točivého momentu. 20
Obr 2.4.9 Princip převodovky s řazením pod zatížením Ovládání převodovky je elektrohydraulické, kdy se používají se tlačítka, která jsou většinou umístěna v loketní opěrce. Zde se už může využít automatika řazení podle otáček motoru. Je možné zvolit ekonomický nebo výkonový režim. Průběh řazení se pohybuje v desetinách sekund a je dán výrobcem. K optimalizaci řazení slouží kalibrace spojek. Převodovka PowerShift Massey Ferguson umožňuje řadit 18 převodových stupňů vpřed a 6 vzad. Převodové stupně jsou řazeny lamelovými spojkami (S 1 - S 9 ). Každému převodovému stupni odpovídá zařazení dvou lamelových spojek. Obr 2.4.10 Schéma převodovky PowerShift Massey Ferguson 18/6 21
Obr 2.4.11 Převodovka PowerShift Massey Ferguson Ovládání převodovky PowerShift Massey Ferguson 8260 Ovládání převodovky je elektrohydraulické, pomocí řadicí páky v loketní opěrce a páky Power Control vlevo pod volantem. Motor je řízen mechanicky řadovým vstřikovacím čerpadlem, proto zde není možnost automatizace řazení. Obr 2.4.12 Ovládání převodovky Massey Ferguson 8260 22
2.4.4 Převodovky s hydrodynamickou spojkou Převodovka s hydrodynamickou spojkou je kombinací předešlých možností. Hlavním rozdílem je využití hydrodynamické spojky. Hydrodynamická spojka se skládá z turbínového a čerpadlového lopatkového kola. Obě kola jsou tvořena radiálními drážkami. Čerpadlové kolo je spojeno se vstupním hřídelem. Roztáčením čerpadlového kola dojde k proudění kapaliny odstředivou silou. Kapalina vstupuje do turbínového kola, které se roztáčí - přenáší se točivý moment. Hydrodynamická spojka umožňuje plynulejší řazení, protože rozdíl momentů z motoru a převodovky je spojován pomocí kapaliny. Rozdílné otáčky se tedy vyrovnávají bez mechanické vazby a zároveň umožňuje plynulejší rozjezd traktoru. Zásadní nevýhodou je nižší účinnost. Točivý moment je přenášen prouděním kapaliny, při kterém dochází k trvalému skluzu. Maximální možná účinnost se pohybuje okolo 96%. Tuto nevýhodu lze eliminovat kombinací hydrodynamické a klasické třecí spojky, která se sepne při dosažení maximální účinnosti. Obr 2.4.13 Princip činnosti převodovky s hydrodynamickou spojkou 23
Hydrodynamickou spojku (HS) využívá firma Fendt v traktorech řady Fendt 800 Favorit s převodovkou Turboshift. Převodovka Turboshift je klasická převodovka s šesti hlavními převodovými stupni, každý převodový stupeň lze rozdělit na čtyři pod zatížením řazené převodové stupně. Všechny převodové stupně lze ještě rozdělit na klasické a plazivé. Celkem tedy můžeme řadit 44 převodových stupňů vpřed i vzad. Rozjezd a reverzace jsou řešeny pomocí hlavní pojezdové spojky (PS). Obr 2.4.14 Schéma převodovky Turboshift 24
Obr 2.4.15 Převodovka Turboshift Ovládání převodovky Turboshift Převodovka je ovládaná řadicí pákou, která je vpravo vedle sedadla. Řadicí pákou můžeme řadit všech 44 převodových stupňů. Reverzace je umístěna vlevo pod volantem. Motor je řízen mechanicky, proto zde není možnost automatizace řazení. Obr 2.4.16 Ovládání převodovky Turboshift 25
2.4.5 Hydrostatické diferenciální převodovky Hydromechanické převodovky jsou zatím nejmodernějším řešením změny převodového poměru. Jejich funkce spočívá ve větvení toku točivého momentu na hydrostatickou a mechanickou větev. Spojení hydrostatické a mechanické větve je řešeno pomocí planetového soukolí. Tyto převodovky se skládají z hydrogenerátoru, hydromotoru, planetového soukolí a podle výrobce různé skladbou převodů. Řazení je zde řešeno změnou naklopení hydrogenerátoru a hydromotoru. Naklápěním se mění převodový poměr v hydrostatické větvi, který se přenese na korunové kolo planetového soukolí. Výsledný převodový poměr je dán otáčkami motoru a otáčkami korunového kola. Tímto je teoreticky dosaženo nekonečně mnoha převodových poměrů. (Šmerda, 2005) Obr 2.4.17 Schéma hydromechanické převodovky Nevýhodou hydromechanických převodovek je tolik diskutovaná účinnost, která se snižuje díky hydrostatické větvi. Účinnost u špičkových hydromechanických převodovek se pohybuje v rozmezí od 80 do 90%. I přes to jsou zatím ekonomičtějším řešením než klasické převodovky. Další nevýhoda je pořizovací cena, která může tvořit až 20% z ceny traktoru. Proto je v případě, kdy traktor není nasazen alespoň 1000 hodin ročně, taková investice zbytečná. Největší výhodou je možnost plné automatizace funkce celé převodovky v celém výkonovém rozsahu motoru. Tím dochází k efektivnímu provozu a optimální spotřebě paliva, která je vzhledem k cenám pohonných hmot významným hodnotícím prvkem. Při optimálním nasazení převodovky jsou výše uvedené nevýhody zanedbatelné. 26
Převodovka Fendt Vario Popis převodovky Vario převodovka se skládá z axiálního regulačního pístového hydrogenerátoru (1). Podle výkonu traktoru, ve kterém má být převodovka použita, je doplněna jedním nebo dvěma axiálními regulačními pístovými hydromotory (2), sumarizačním hřídelem (3), řazením rozsahu rychlosti (4), planetovým převodem (5), spojkou pohonu přední nápravy (6), pružným uložením převodovky (7) a zapouzdřenou brzdou (8). Obr 2.4.18 Uspořádání převodovky Vario 27
Hydrogenerátor (1) a hydromotor (2) Tlak v hydrostatické větvi obstarává axiální pístový hydrogenerátor s proměnným geometrickým objemem. Změna geometrického objemu je řešena změnou Obr 2.4.19 Axiální pístový hydrogenerátor s proměnným geometrickým objemem naklopení bloku hydrogenerátoru a to o úhel α - 30 a + 45 a úhel naklopení hydromotoru β +45. Změnou úhlu náklonu desky se tedy mění průtok - čím větší náklon, tím větší průtok - tím větší rychlost. Maximální tlak v hydrostatické části může dosáhnout až 40 MPa, maximální průtok je až 150 l.min -1. Rozvádět takový tlak pomocí hadic by snižovalo spolehlivost konstrukce, proto jsou prostory pro rozvod oleje vytvářeny přímo v těle převodovky metodou odlévání. Vzájemné polohy hydrogenerátoru a hydromotorů vytváří různý převodový poměr, tedy různé rychlosti traktoru. Reverzace je řešena naklopením bloku hydrogenerátoru na opačnou stranu. Tím dojde ke změně smyslu otáčení hydromotorů - změně směru jízdy. Rychlost je regulována stejně jako při jízdě vpřed naklápěním jednotlivých bloků. Ovládání naklápění bloku hydrogenerátoru a hydromotorů je řešeno elektrohydraulicky. Pohybem řídícího joysticku je vyslán signál do elektronické řídící jednotky, ta vyšle signál do krokového elektromotoru, který je napojen na závitovou tyč. Otáčením elektromotoru se otáčí i závitová tyč otevírající nebo zavírající šoupátko rozvaděče. Posunem rozvaděče dojde k průtoku oleje na jednu nebo na druhou stranu podle zvoleného směru jízdy. Tlak oleje naklápí bloky do požadované polohy. 28
Vzájemné polohy hydrogenerátoru a hydromotorů: Základní poloha hydrostatické větve, která musí být zajištěna při startování motoru, při volnoběhu a při zhasínání motoru. Je to nutné z důvodu bezpečnosti. Pokud by byl motor nastartován a hydrogenerátor by byl v jiné poloze, došlo by ihned k nárůstu tlaku - tedy k rozjezdu traktoru. Hydrogenerátor se sice točí, ale protože pístky nemají zdvih, nedodávají žádný olej. Po naklopení bloku se zvětší zdvih pístků a dojde k dodávání oleje k hydromotrům. Tlak oleje působí na pístky v hydromotorech, dojde k jejich roztočení. Velikost otáček hydromotorů závisí na aktuálním poměru V g hydrogenerátoru a V g hydromotorů. V této poloze traktor nízkou rychlostí. Dalším naklápěním bloku hydrogenerátoru do maximální polohy α=45 je nastaven maximální V g, tedy maximální průtok oleje. Traktor zrychlí. Je-li potřeba dále zrychlovat, sníží se naklopení bloku hydromotorů. Při stálém průtoku dojde zmenšením V g hydromotorů ke zvýšení otáček. Traktor dále zrychlí na vyšší rychlost. Snižováním náklonu bloku hydromotorů traktor stále zrychluje. V tomto postavení je hydrostatická část zcela vyřazena. Dojde k vytvoření přímého záběru mezi motorem a koly, protože hydromotory mají nulový zdvih pístků. Traktor jede maximální rychlostí. 29
Sumarizační hřídel (3) Pomocí sumarizačního hřídele se v převodovce spojuje hydrostatická a mechanická větev převodovky. Ze sumarizačního hřídele jde točivý moment přes převod I. nebo II. rychlostního rozsahu. Dále pokračuje přes diferenciál a koncové převody na kola. Řazení rozsahu rychlosti (4) Obr 2.4.20 Sumarizační hřídel S převodovkou Vario se mohou traktory Fendt pohybovat rychlostí až 60 km.h -1. Rychlost do 60 km.h -1 je vhodná při práci v dopravě, ale při polních pracích je taková rychlost zbytečná. Proto je převodovka Vario vybavena dvěma rozsahy rychlosti jízdy. Rozsah I určený pro práci na poli je od 0,02 do 32 km.h -1, druhý rozsah II určený pro dopravu je od 0,02 do 60 km.h -1. Proč zde jsou dva rozsahy? Je to z důvodu ovládání traktoru. Při polních pracích potřebujeme citlivé ovládání pojezdové rychlosti, tedy při pohybu joysticku vpřed/vzad traktor zrychlí/zpomalí citlivěji. Na výstupním hřídeli jsou volně otočně uložena dvě ozubená kola. Podle zvoleného jízdního rozsahu se přesune synchronizační spojka k jednomu nebo druhému ozubenému kolu a spojí ho s výstupním hřídelem. Tím se dosáhne požadovaného výstupního převodového poměru - tedy polní nebo silniční rozsah. Rozsah se řadí pouze, pokud je traktor v klidu, proto není nutné řešit tuto záležitost složitějšími systémy řazení. K přeřazení rychlostního rozsahu slouží solenoidový ventil, který v případě řazení otevře ovládací okruh tlakového oleje. Tlak oleje přesune synchronizační spojku a spojí výstupní hřídel s požadovaným ozubeným kolem. 30
Planetový převod (5) Planetové soukolí se skládá ze satelitů (1), unašeče satelitů (2), centrálního kola (3) a korunového kola (4). Planetové soukolí umožňuje měnit převodový poměr bez nutnosti přerušit tok točivého momentu. Změna převodového poměru může být realizována zastavením nebo změnou otáček některého členu. V tomto případě je unašeč satelitů poháněn motorem, centrální kolo slouží jako výstup k sumarizačnímu hřídeli a korunové kolo je spojeno s hydrostatickou větví. Po nastartování motoru se točí unašeč satelitů, Obr 2.4.21 Planetové soukolí výstup - centrální kolo - je zabrzděné kvůli vzájemné poloze hydrogenerátoru a hydromotorů. Korunové kolo je poháněno přes satelity a roztáčí hydrogenerátor. Pří pohybu joysticku vpřed/vzad dojde ke změně V g hydrogenerátoru, tím dochází k průtoku oleje a hydromotor se začne otáčet. Centrální kolo se tedy odblokuje a začne se otáčet. Jsou-li považovány otáčky motoru za konstantní, dá se říct, že výsledná rychlost je dána pouze průtokem oleje a úhlem naklopení bloků. Pouze při maximální rychlosti dojde k zastavení korunového kola, vytvoří se tedy přímý záběr mezi unašečem a centrálním kolem. Kombinace hydrostatické a mechanické větve je možé znázornit takto: Vektor vyjadřuje konstantní otáčky unašeče satelitů (U), vektor vyjadřuje otáčky korunového kola (K). Touto kombinací se získá výsledná velikost vektoru otáčky centrálního kola (C). Vektory vyjadřují vyšší otáčky korunového kola, vektory vyjadřují zvýšení otáček Obr 2.4.22 Kombinace vektorů centrálního kola - zvýšení rychlosti jízdy při konstantních otáčkách motoru. 31
Ovládání a možnosti nastavení převodovky Vario Ovládání převodovky je velice jednoduché a umožňuje několik režimů řízení, které je možné zvolit podle pracovních podmínek. Veškeré ovládání je sjednoceno do jednoho joysticku na loketní opěrce v kabině traktoru. Nastavování automatických funkcí je integrováno v informačním systému Variotronic pomocí počítače v kabině. Traktory Fendt jsou vybaveny systémem TMS, který propojuje systém řízení motoru a převodovky. Polohy a funkce joysticku: 1. Aktivace tempomatu 2. Rozjezd/zrychlení vpřed 3. Reverzace směru jízdy 4. Agresivita zrychlení 5. Zpomalení/rozjezd/zrychlení vzad Obr 2.4.23 Ovládací joystick Aby nedošlo k náhodnému pohybu joysticku a následnému poškození stroje nebo zranění, je na zadní straně joysticku umístěno aktivační tlačítko. Pokud má být joystick použit, je nejdříve nutné tot bezpečnostní tlačítko stisknout. Z předchozího popisu principu činnosti vyplývá, že převodovka umožňuje plynulou změnu rychlosti nezávisle na otáčkách motoru. Samozřejmě jen v omezeném rozmezí, ale i to je dostačující k dosažení vysoké ekonomiky provozu. Obr 2.4.24 Vario terminál 32
Možnosti jízdy 1. Bez regulace Nožním pedálem se mění otáčky motoru podle vlastního uvážení a joystickem rychlost jízdy. 2. Konstantní otáčky motoru Režimu konstantních otáček je využíváno například při práci s vývodovým hřídelem. Pomocí Varioterminálu se nastaví požadované otáčky a joystickem se pak mění pouze rychlost jízdy. 3. Automatická regulace otáček systémem TMS Při aktivovaném systému TMS je joystick používán ke změně rychlosti jízdy, ale zároveň i ke změně otáček motoru. Otáčky motoru se pomocí systému TMS mění automaticky podle zatížení motoru. Při jízdě s prázdným vlekem se nastaví joystickem maximální rychlost jízdy a systém TMS automaticky sníží otáčky motoru, pokud se bude orat, systém TMS bude držet otáčky na hranici maximálního výkonu. 33
3.0 CELKOVÉ HODNOCENÍ 3.1 Úplná otáčková charakteristika motoru Otáčková charakteristika motoru zobrazuje průběh výkonu, točivého momentu a měrné spotřeby, pracuje-li motor s plnou dávkou paliva. Z úplné otáčkové charakteristiky můžeme vyčíst místa, kde se nachází maximum točivého momentu, výkonu a minimální měrné spotřeby a podle toho traktor provozovat. Obr 3.1.1 Vnější otáčková charakteristika motoru 34
Úspora paliva je dnes jeden z nejhlavnějších faktorů, proto je znalost otáčkové charakteristiky u daného traktoru velmi důležitá. S tím souvisí i volba převodovky. V případě mechanické převodovky se lze přiblížit jen těžko k místu nejnižší spotřeby paliva. Při tahových pracích nelze optimálně řadit, protože dochází k přerušení toku točivého momentu při vyšlápnutí spojky. U převodovek s řazením pod zatížením se problém přerušení toku točivého momentu eliminuje, i přes to je nutné neustále řadit, pokud chceme, abychom při měnícím se zatížení motoru, pracovali ekonomicky. V praxi jsou dlouhé směny běžným jevem a žádná obsluha nebude 15 hodin neustále řadit. Proto přichází automatické řazení, které řadí při předem zvolených otáčkách. 3.2 Porovnání mechanické převodovky a mechanické převodovky s násobičem točivého momentu Násobič točivého momentu rozděluje převodové stupně v hlavní převodovce. Podle typu násobiče a použitého konstrukčního řešení lze rozdělit jeden převodový stupeň od jednoho až po 4 pod zatížením řazené rozsahy. I přes funkci násobiče jde stále o skokové řazení. Obr 3.2.1 Porovnání mechanické převodovky s násobičem a bez násobiče točivého momentu 35
3.3 Porovnání mechanické a hydromechanické převodovky Mechanické převodovky umožňují pouze skokové řazení. Mezi jednotlivými převodovými stupni tak vznikají ztráty. Hydromechanická převodovka umožňuje plně automatizované řízení změny převodového poměru. Účinnost se sice pohybuje okolo 90%, ale tuto nevýhodu plně nahrazuje schopnost udržet motor v přesně zvolených otáčkách, tedy přesně v místě nejnižší měrné spotřeby paliva. 3.4 Otáčková charakteristika traktoru Fendt 920 Vario TMS 3.4.1 Měření úplné otáčkové charakteristiky Otáčková charakteristika motoru se zjišťuje ze soustavy otáčkových charakteristik naměřených při různých dávkách paliva. V grafu je použito minimálně 12 částečných charakteristik motoru při různých dávkách paliva. Naměřené hodnoty točivého momentu a měrné spotřeby paliva byly proloženy polynomem pomocí metody nejmenších čtverců. Obr 3.4.1 Měření výkonu traktoru Fendt 920 Vario TMS v laboratoři MZLU 36
1000 900 222 800 700 225 600 500 400 300 230 235 240 245 250 260 Pe [kw] 150 140 130 120 110 100 90 80 70 200 270 300 100 360 500 0 1250 1350 1450 1550 1650 1750 1850 1950 2050 2150 2250 2350 Otáčky motoru n [min -1 ] Točivý moment Mk [N.m] Obr 3.4.1 Měření výkonu traktoru Fendt 920 Vario TMS v laboratoři MZLU 37
3.4.3 Využití otáčkové charakteristiky v praxi Z otáčkové charakteristiky lze vyčíst průběh výkonu, točivého momentu a měrné spotřeby paliva. To je důležité, jestliže má být motor provozován co možná nejekonomičtěji. (Sedlák, 2007) Teoretické porovnání režimů jízdy traktoru Fendt 920 Vario TMS - cena nafty 25 Kč.l -1 - měrná hmotnost nafty 0,825 kg.l -1 a) - otáčky motoru 1550 min -1 - točivý moment motoru 880 Nm - měrná spotřeba paliva 222 g.kw.h -1 b) - otáčky motoru 2050 - točivý moment motoru 680 Nm - měrná spotřeba paliva 237 g.kw.h-1 38
b-a) Rozdíl ve spotřebě Cenový rozdíl Při nasazení traktoru 8 hodin denně Z výpočtu vyplývá, že správné používání elektronicky řízeného motoru a převodovky Vario může vést k významné úspoře paliva. Tím je zajištěna rychlá návratnost investice do nákupu nového stroje. Rozdíl ve spotřebě paliva podle zvoleného režimu jízdy činí 3,5 l.h -1, to je 700 Kč při osmihodinové směně. 39
4.0 ZÁVĚR Vývojoví experti všech firem se snaží vyrobit motor, který bude dosahovat vysokého výkonu, nízké spotřeby paliva a zároveň nebude produkovat škodlivé emise. Moderní motory jsou kompromisem mezi těmito kritérii. V posledních letech si výrobci uvědomují, že i ten nejlepší motor nebude pracovat ekonomicky bez vhodné převodovky. Vývoj převodovek, proto velmi pokročil přes skupinové převodovky s násobičem točivého momentu, převodovky s řazením pod zatížením až po dosud nepřekonané hydromechanické převodovky. Hydromechanické převodovky umožňují plynulou změnu převodového poměru. Další kladem je možnost plné automatizace celého procesu řazení. Je možné zadat požadovaný režim jízdy a elektronické řídící systémy ho budou automaticky udržovat. Tím se vyšší pořizovací cena traktoru s hydromechanickou převodovkou rychle vrátí v nízkých provozních nákladech. 40
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. Bauer, F.: Valtra EcoPower. Mechanizace zemědělství. 2002. sv. 52, č. 1, s. 22-23. ISSN 0373-6776. 2. Bauer, F., Sedlák, P., Šmerda, T.: Traktory. Praha: Profi Press, 2006. 192 s. ISBN 80-86726-15-0. 3. Sedlák, P., Bauer, F., Havlíček, M., Čupera, J., Šmerda, T.: Automatické převodovky traktorů a jejich vliv na ekonomiku provozu. In Sborník mezinárodní konference Technika zemědělství a potravinářství ve třetím tisíciletí. Brno: MZLU v Brně, 2007, s. 365-370. ISBN 978-80-7375-054-1. 4. Šmerda, T., Bauer, F.: Plynulé převodovky současných traktorů. Mechanizace zemědělství. 2005. sv. 55, č. 7, s.32-36. ISSN 0373-6776. 5. Šmerda, T., Čupera, J., Bauer, F., Sedlák, P.: Traktory s plynulou a stupňovitou převodovkou v dopravě. Mechanizace zemědělství. 2008. č. 7, s. 45-51. ISSN 1210-3926. 41
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr 2.1.1 Spalovací motor 6 Obr 2.1.2 Vstřikovací systém Bosch Common Rail 6 Obr 2.1.3 Turbodmychadlo 6 Obr 2.2.1 Hydraulická soustava traktoru 6 Obr 2.3.1 Kabina traktoru Massey Ferguson 8690 6 Obr 2.4.1Princip činnosti synchronizační spojky 6 Obr 2.4.2 Schéma převodovky Shuttle Command 6 Obr 2.4.4 Ovládání mechanické převodovky 6 Obr 2.4.5 Princip činnosti násobiče točivého momentu 17 Obr 2.4.6 Schéma převodovky AutoQuad 6 Obr 2.4.7 Převodovka AutoQuad 6 Obr 2.4.8 Ovládání převodovky AutoQuad 6 Obr 2.4.9 Princip převodovky s řazením pod zatížením 6 Obr 2.4.10 Schéma převodovky PowerShift Massey Ferguson 18/6 6 Obr 2.4.11 Převodovka PowerShift Massey Ferguson 6 Obr 2.4.12 Ovládání převodovky Massey Ferguson 8260 6 Obr 2.4.13 Princip činnosti převodovky s hydrodynamickou spojkou 6 Obr 2.4.14 Schéma převodovky Turboshift 6 Obr 2.4.15 Převodovka Turboshift 6 Obr 2.4.16 Ovládání převodovky Turboshift 6 Obr 2.4.17 Schéma hydromechanické převodovky 6 Obr 2.4.18 Uspořádání převodovky Vario 6 Obr 2.4.19 Axiální pístový hydrogenerátor s proměnným geometrickým objemem 6 Obr 2.4.20 Sumarizační hřídel 6 Obr 2.4.21 Planetové soukolí 6 Obr 2.4.22 Kombinace vektorů 6 Obr 2.4.23 Ovládací joystick 6 Obr 2.4.24 Vario terminál 6 Obr 3.1.1 Vnější otáčková charakteristika motoru 6 Obr 3.2.1 Porovnání mechanické převodovky s násobičem a bez násobiče točivého momentu 6 Obr 3.4.1 Měření výkonu traktoru Fendt 920 Vario TMS v laboratoři MZLU 6 Obr3.4.2 Úplná otáčková charakteristika traktoru Fendt 920 Vario TMS 32 42