Hydrodynamika

Na úvod si shrňme, co už známe. Ve stavebních strojích dnes převažují dva druhy pohonu – hydrodynamický a hydrostatický. Hydrodynamický pohon, který je asi nejvíce rozšířen v oblasti traktorbagrů, funguje jako klasický automat v osobáku. Motor točí lopatkami hydrodynamického měniče, které uvádějí do pohybu hydraulický olej, jehož víření roztáčí další lopatky spojené s výstupním hřídelem vedoucím do převodovky. Problémem je, že valná část energie motoru se spotřebuje na prokluz a nežádoucí zahřívání oleje v měniči.

Hydrodynamický pohon ve spojení s vícestupňovými převodovkami dospěl k měničům s „menším prokluzem“ a automatickým uzamčením při rychlejší jízdě. Stavební stroje, jako jsou nakladače, však často pracují v krátkých nakládacích cyklech, ve kterých se stále z valné části spoléhají na „protáčení“ měniče a zahřívání oleje v jeho útrobách.

Hydrostatika

Při krátkých pracovních cyklech stroje se osvědčil hydrostatický pohon, který funguje na principu uzavřeného hydraulického okruhu. V porovnání s hydrodynamikou pracuje s malým průtokem oleje, ale pod velkým tlakem. A nepotřebuje převodovku. Motor točí čerpadlem, jež posílá olej do hydromotoru, díky kterému se následně točí kola.

Hydrostatický pohon poskytuje plynulé ovládání, citlivost, integrovanou funkci brzdění a v neposlední řadě to nejdůležitější – výrazně nižší spotřebu. Ovšem jen do doby, než se s nakladačem vydáte na delší jízdu – to se potom karty obrátí ve prospěch hydrodynamiky.

CVT Vario

Co s tím? S odpovědí už v roce 1987 přišel český konstruktér Robert Honzek, kdy společně se dvěma svými kolegy začal v německé firmě Fendt realizovat nápad Hanse Marschalla. Nakonec po osmi letech utajeného vývoje představil překvapené veřejnosti a zaskočeným konkurentům traktor Fendt 926 s převodovkou Vario.

Převodovka Vario (označuje se také zkratkou CVT = převodovka s plynule měnitelným převodem nebo jako převodovka s rozdělením hnací síly [power split transmission]) kombinuje hydrostatický a mechanický pohon. A to tak důmyslně, že při rozjezdu zabírá pouze hydrostatika, kterou při zvyšující se pojezdové rychlosti postupně doplňuje pohon mechanický. A to do té míry, že při dosažení maximální rychlosti mechanický pohon hydrostatiku zcela nahradí.

Jak toho konstruktéři dosáhli? Kouzlo hledejme za motorem, kam bylo umístěno planetové soukolí. Planetové soukolí je sestava ozubených kol. Jedno je uprostřed a říká se mu sluneční. V našem případě zajišťuje mechanický přenos síly. Kolem něj obíhá sestava dalších ozubených kol, kterým se říká satelity. Ty jsou vzájemně propojeny unášečem, který je přes tlumič torzních kmitů spojený s výstupním hřídelem motoru. A celé to „objímá“ velké kolo s vnitřním ozubením, tzv. korunové, jež zajišťuje hydrostatický přenos síly.

Všechna tato kola se mohou otáčet. To je důležitý rozdíl oproti planetovým soukolím, která známe z koncových převodů náprav, u kterých je vždy jedna součást fixní. Unášeč se satelity se točí díky motoru. A když se točí unášeč, musí se také točit minimálně jedno z kol – sluneční nebo korunové nebo obě. Jaké se tedy bude točit? Přirozeně to, které klade menší odpor. A přesně na tomto principu je založeno rozdělení přenosu síly mezi hydrostatiku a mechaniku.

Při rozjezdu klade nejnižší odpor vnější korunové kolo, a tak se točí a roztáčí hydraulické čerpadlo. V této chvíli je důležité si uvědomit, že jak čerpadlo, tak hydromotor jsou pístové konstrukce s naklápěcí deskou, která reguluje průtočné množství. Pokud je náklon desky nulový, je nulové i průtočné množství, a v okruhu tedy olej neproudí. Při nastartování spalovacího motoru není deska v čerpadle nakloněná, a tak se čerpadlo točí bez odporu a žádný olej do okruhu nevhání, čímž hydromotor stojí. Jakmile desku v čerpadle nakloníme, olej začne proudit do hydromotoru, jenž už na to se svou naklopenou deskou čeká, a stroj se rozjíždí hydrostaticky. Tím se začíná točit i mechanická část, se kterou je ta hydrostatická propojená dalším ozubeným kolem mimo planetové soukolí. Když ustavíme desku hydromotoru do nulového náklonu, hydromotor se zastaví a čerpadlo tím pádem také. Ale protože jeho deska je nakloněná, vytvoří takový odpor, že síla motoru jde do pojezdu už jen mechanicky.

Jak vyplývá z předchozího popisu, ovládáním desky hydromotoru regulujeme dělení přenosu síly na hydrostatickou a mechanickou. A to je okamžik, do kterého vstupuje moderní elektronika. Naštěstí dnes máme k dispozici výkonné počítače, které jsou schopny v pracovních strojích typu nakladač vše bez problému „utáhnout“ při jeho standardních i méně obvyklých úkonech.

Výhody takové převodovky nekončí jen u spotřeby, ale oproti hydrodynamice vyniká především svým plynulým bezstupňovým chodem, příjemnou citlivostí a snadným ovládáním bez nutnosti používat pro zastavení brzdu. To vše jsou přednosti plynoucí ze začlenění hydrostatického pohonu.

Rychlost stroje se ovládá pedálem či pákou. Tento ovládací prvek však už ale nemá co dočinění s otáčkami motoru. Ty hlídá elektronika, která se snaží je držet co nejníže. Běh motoru se totiž oddělil od samostatného pohonného ústrojí, takže elektronika má mnohem více možností ho ovládat podle svého vlastního mínění. Klidně se může stát, že budete zrychlovat, zatímco otáčky motoru budou klesat.

Kde můžeme CVT Vario čekat

Fendt dnes už jiné traktory než Vario nevyrábí a jeho zemědělští konkurenti obdobný systém nabízejí také. Jak je to u stavebních strojů? Caterpillar v roce 2012 uvedl nakladač 966K XE, zatímco Liebherr na loňské Baumě ukázal prototyp nakladače L 586 XPower a Volvo na svém inovačním fóru, které se konalo v srpnu 2013, představilo vizi, ve které hraje převodovka CVT klíčovou roli.

Caterpillar 966K XE a Liebherr L 586 XPower představují stroje různé hmotnostní kategorie – 966K XE má 24 t, kdežto L 586 X Power je největší model Liebherru o hmotnosti 32 t. Na svých nových pohonech oba výrobci řadu let tajně pracovali se zavedenými dodavateli – Bosch Rexroth a ZF Friedrichshafen.

Volvo novinářům představilo zatím jen funkční schéma převodovky CVT. Nic konkrétnějšího. Své úsilí totiž v minulosti zaměřilo na svůj hydrodynamický systém OptiShift, který je dnes standardní součástí větších nakladačů. O CVT však mluví jako o další vývojové fázi.

Gratulace

Jakýsi Gene Hall v komentáři k videu 966K XE Advanced Powertrain Animation na YouTube píše: „Opravdu si myslíte, že ten, kdo kupuje 966, se o to zajímá nebo tomu rozumí?“ Pokud jste se článkem prokousali až sem, zbořili jste stereotypní představu Gena Halla. Gratuluji. Je dobré vědět, jak to funguje. Zvláště, když se jedná o revoluční záležitost, která brzy změní svět kolových nakladačů.

Zdroje:

http://www.farmweb.cz/index.php?page=view_image&id=MTQ0MVgzNTI2NVg0MTE3NzQ=
http://fendt.wz.cz
http://fendt.wz.cz/200vario_cz.pdf
http://www.farmdepot.biz/cvt-fact-vs-myth.pdf
http://bagry.cz/clanky/vystavy/bauma_2013_kolove_a_pasove_nakladace
http://forum.bauforum24.biz/forum/index.php?showtopic=58153
http://www.zf.com/corporate/en/products/product_range/construction_vehicles/construction_machinery_cpower.shtml
http://www.zf.com/media/media/en/document/corporate_2/press_3/press_kits_1/bauma_2010/tx2010_Bauma-02_ZF-cPOWER-stufenlose-Getriebe-fuer-Radlader_zf.pdf
http://www.cat.com

EARTHMOVERS MAGAZINE October 2013: "First of many" by Geoff Ashcroft
Liebherr Press Information Bauma 2013
Volvo Innovation Forum 2013

Videa:

http://www.youtube.com/watch?v=b_-LL0sCT-k
http://www.youtube.com/watch?v=pD-I9CWfCfg