3. Εξελιγμένα συστήματα μετάδοσης της κίνησης Η μεταφορά της περιστροφικής κίνησης του κινητήρα προς τους κινητήριους τροχούς και τα άλλα κινούμενα μέρη του γεωργικού ελκυστήρα (όπως ο άξονας του δυναμοδότη) πραγματοποιείται με ενδιάμεσους μηχανισμούς που συνθέτουν το σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Στο κεφάλαιο αυτό, γίνεται μία σύντομη παρουσίαση των μηχανικών και υδραυλικών συστημάτων μετάδοσης της κίνησης. Έμφαση δίνεται στην παρουσίαση των συστημάτων powerspeed και multispeed. Ειδικότερα περιγράφονται αναλυτικά τα ημιαυτόματα και αυτόματα κιβώτια τύπου power shift με υδραυλικούς ενεργοποιητές. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των κιβωτίων συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης. 3.1. Εισαγωγή στα μηχανικά και υδραυλικά συστήματα μετάδοσης της κίνησης Η μεταφορά της περιστροφικής κίνησης του κινητήρα προς τους κινητήριους τροχούς και τα άλλα κινούμενα μέρη του γεωργικού ελκυστήρα (όπως ο άξονας του δυναμοδότη) πραγματοποιείται με ενδιάμεσους μηχανισμούς που συνθέτουν το σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης επιτρέπει: α) τη σύνδεση και αποσύνδεση του κινητήρα από το φορτίο του (η προοδευτική σύνδεση διασφαλίζει την ομαλή εκκίνηση του ελκυστήρα), β) την αυξομείωση της ταχύτητας με την αντίστοιχη αυξομείωση της ροπής στρέψης, γ) τη διαφορική κίνηση των κινητήριων τροχών και δ) την αλλαγή κατεύθυνσης του ελκυστήρα (κίνηση εμπρός - πίσω). Τα συστήματα μετάδοσης της κίνησης διακρίνονται σε μηχανικά και υδραυλικά (Browning, 1978). Τα μηχανικά συστήματα μετάδοσης είναι τα πιο διαδεδομένα και περιλαμβάνουν συνήθως έναν κεντρικό συμπλέκτη, το κιβώτιο ταχυτήτων, το κιβώτιο μείωσης, ένα ή δύο διαφορικά, τα κιβώτια τελικών μεταδόσεων και μία σειρά άλλων βοηθητικών μηχανισμών, όπως τους άξονες του δυναμοδότη (P.T.O.) των 540/1000 rpm και του συγχρονισμένου (SYNCHRO). Το πλήρες διάγραμμα του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης ενός τροχοφόρου γεωργικού ελκυστήρα των 95 HP παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.1. (Lamborghini Trattori, 1988). Στην κατηγορία των υδραυλικών μεταδόσεων κατατάσσονται: α) τα συστήματα υδροστατικής μετάδοσης και β) τα συστήματα υδροδυναμικής μετάδοσης. Τα συστήματα υδροδυναμικής μετάδοσης παρουσιάζουν μειωμένο βαθμό απόδοσης και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μηχανικά συστήματα μετάδοσης κίνησης. Εικόνα 3.1 Το διάγραμμα μηχανικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης τροχοφόρου γεωργικού ελκυστήρα.
3.1.1 Συμπλέκτες Συμπλέκτης (clutch) είναι ο μηχανισμός που συνδέει και αποσυνδέει τον κινητήρα από το κιβώτιο ταχυτήτων, όταν πρόκειται να γίνει αλλαγή σχέσης. Οι συμπλέκτες διακρίνονται σε: α) μηχανικούς και β) υδραυλικούς. Ο μηχανικός συμπλέκτης τοποθετείται πάνω στον σφόνδυλο του κινητήρα και τα κυριότερα μέρη αυτού είναι: α) η πλάκα πιέσεως, β) ο μηχανισμός αναρτήσεως, γ) ο δίσκος του συμπλέκτη, δ) ο άξονας του συμπλέκτη, και ε) ο ωστικός τριβέας. Η λειτουργία του μηχανικού συμπλέκτη βασίζεται στην εξής αρχή: Η επιφάνεια του σφονδύλου του κινητήρα και η επιφάνεια του δίσκου του συμπλέκτη πιέζονται μεταξύ τους από μία κάθετη δύναμη (με την επενέργεια των ελατηρίων), ώστε να γίνει εφικτή η μετάδοση της ροπής δια ξηρής τριβής (Τζιβανόπουλος, 1985). Το μέγεθος της κάθετης δύναμης καθορίζει τη ροπή που μπορεί να μεταδοθεί. Εάν η μεταδιδόμενη ροπή είναι μικρότερη αυτής της δύναμης, η μετάδοση της ροπής γίνεται χωρίς ολίσθηση μεταξύ των επιφανειών τριβής. Στην περίπτωση που η μεταδιδόμενη ροπή είναι ίση ή μεγαλύτερη της δύναμης, η μετάδοση γίνεται με ολίσθηση (Παραδεισιάδης, 2012). Τέλος, όταν πάψει η επενέργεια της δύναμης, τότε διακόπτεται η μετάδοση της ροπής. Η ενεργοποίηση του συμπλέκτη (σύμπλεξη-αποσύμπλεξη) γίνεται: α) μηχανικά και β) υδραυλικά. Η μηχανική ενεργοποίηση γίνεται με τη βοήθεια μηχανικών συνδέσμων και μοχλών αποσύμπλεξης (κοκκοράκια), ενώ η υδραυλική ενεργοποίηση γίνεται με τη βοήθεια υδραυλικών κυλίνδρων (απαραίτητη προϋπόθεση η ύπαρξη υδραυλικού κυκλώματος). Τα τελευταία χρόνια, στους μηχανικούς συμπλέκτες, αντί των σπειροειδών ελατηρίων πίεσης, χρησιμοποιείται ένα διάφραγμα (χτένι). Η πίεση του εξωτερικού χείλους του διαφράγματος που ασκείται πάνω στην πλάκα πιέσεως, αυξάνεται μέχρι έως ότου το διάφραγμα γίνει επίπεδο (κατάσταση σύμπλεξης) και μειώνεται καθώς αυτό γίνεται κοίλο (κατάσταση αποσύμπλεξης) (Αλεξάνδρου κ.ά., 2001). Σε ένα σύστημα μετάδοσης, ο μηχανικός συμπλέκτης μπορεί να μεταδίδει την κίνηση εκτός από το κιβώτιο ταχυτήτων και σε άλλα μέρη του γεωργικού ελκυστήρα, όπως είναι ο ημιανεξάρτητος άξονας του δυναμοδότη (P.T.O.). Στην περίπτωση αυτή, ο μηχανικός συμπλέκτης φέρει δύο δίσκους (διπλός συμπλέκτης). Χαρακτηριστικό του διπλού συμπλέκτη είναι ο κοινός ποδομοχλός που ενεργοποιείται σε δύο στάδια. Κατά το πρώτο στάδιο αποσυμπλέκεται το κιβώτιο ταχυτήτων και κατά το δεύτερο στάδιο αποσυμπλέκεται η μετάδοση της κίνησης προς τον άξονα του δυναμοδότη. Στην περίπτωση που υπάρχει ανεξάρτητος άξονας δυναμοδότη στο σύστημα μετάδοσης του γεωργικού ελκυστήρα, τότε ο διπλός συμπλέκτης διαφοροποιείται από την προηγούμενη περίπτωση. Ο διπλός συμπλέκτης διαθέτει δύο μοχλούς ελέγχου. Έναν ποδομοχλό που ελέγχει τον κύριο συμπλέκτη, δηλαδή αυτόν που μεταδίδει την κίνηση προς το κιβώτιο ταχυτήτων και έναν δεύτερο χειρομοχλό ο οποίος ελέγχει τον συμπλέκτη που μεταδίδει την κίνηση προς τον άξονα του δυναμοδότη (Τσατσαρέλης, 1997). Ο υγρός πολύδισκος συμπλέκτης ή συμπλέκτης πολλαπλών δίσκων (Εικόνα 3.2) φέρει έναν μεγάλο αριθμό μικρών δίσκων με εσωτερική οδόντωση (κινούμενοι δίσκοι), οι οποίοι εναλλάσσονται με δίσκους που φέρουν εξωτερική περιφερειακή οδόντωση (κινητήριοι δίσκοι), και είναι εμβαπτιζόμενοι σε λουτρό λαδιού (McCormick Tractors). Οι δίσκοι με την εξωτερική οδόντωση εφαρμόζουν στους πείρους του μεταλλικού τυμπάνου, το οποίο είναι στερεωμένο πάνω στον κινητήριο άξονα. Αντιθέτως, οι δίσκοι με την εσωτερική οδόντωση είναι τοποθετημένοι στην πολύσφηνη οδόντωση του κινούμενου άξονα. Η διάταξη αυτή επιτρέπει σε όλους τους δίσκους, καθώς και στην πλάκα πιέσεως, να μετακινούνται ώστε να δημιουργείται διάκενο μεταξύ τους. Η αρχή λειτουργίας του υγρού συμπλέκτη είναι παρόμοια με αυτήν του συμπλέκτη ξηρού τύπου. Η σύμπλεξη μεταξύ των κινητήριων και των κινούμενων στοιχείων του συμπλέκτη επιτυγχάνεται, όταν ο χειριστής με τη βοήθεια του μοχλού επιλογής κατευθύνει λάδι με πίεση στον υδραυλικό κύλινδρο. Το έμβολο του υδραυλικού κυλίνδρου μετατοπίζεται υπό την πίεση του λαδιού και συμπιέζει την πλάκα πιέσεως του συμπλέκτη. Η πλάκα πιέζει όλους τους δίσκους, κινητήριους και κινούμενους, έτσι ώστε να περιστρέφονται σαν ένα σώμα. Ο συμπλέκτης σταματά να λειτουργεί όταν διακόπτεται η πίεση του εμβόλου επί της πλάκας πιέσεως. Οι δίσκοι διαχωρίζονται με τη βοήθεια ελατηρίων ή υδραυλικής πίεσης προς την αντίθετη πλευρά του εμβόλου. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε ημιαυτόματα και αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων τύπου power shift για την αυτόματη αλλαγή των σχέσεων (Τσατσαρέλης, 1997).
Εικόνα 3.2 Υγρός πολύδισκος συμπλέκτης. Ο μετατροπέας ροπής (torque converter) ανήκει στην κατηγορία των υδροδυναμικών μεταδόσεων. Οι υδροδυναμικές μεταδόσεις χρησιμοποιούν ρευστό μέσο (λάδι) το οποίο κινείται με μεγάλη ταχύτητα, αλλά με σχετικά χαμηλή πίεση. Ο μετατροπέας ροπής, σε σχέση με τους μηχανικούς συμπλέκτες, προσφέρει ομαλότερη και ελαστικότερη μετάδοση της κίνησης. Όμως, το βασικό του μειονέκτημα είναι η αδυναμία απεμπλοκής του κιβωτίου ταχυτήτων από τον κινητήρα (δηλαδή συνδέει σε ένα ενιαίο σύνολο τα δύο τμήματα της κινηματικής αλυσίδας). Συνδυάζεται με ένα μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων (συνήθως πλανητικό σύστημα), ώστε να μπορεί να εργάζεται στο πιο αποδοτικό τμήμα της περιοχής λειτουργίας του. Αυτού του είδους τα συστήματα μετάδοσης χαρακτηρίζονται ως ημιαυτόματα. Όμως, είχαν περιορισμένη διάδοση επειδή από την φύση τους ολισθαίνουν (πατινάρουν), γεγονός που επιδρά αρνητικά, τόσο στην απόδοση των μηχανημάτων, όσο και στην κατανάλωση καυσίμου (Τζιβανόπουλος, 1985). Ο μετατροπέας ροπής (Εικόνα 3.3) αποτελείται από τρία βασικά δομικά στοιχεία: α) την αντλία (κινητήριο στοιχείο), τον στάτη (σταθερό στοιχείο) και β) τον στρόβιλο (κινούμενο στοιχείο), τα οποία είναι τοποθετημένα εντός κιβωτίου που περιέχει υδραυλικό λάδι. Η αντλία και ο στρόβιλος έχουν τη μορφή κοίλων δακτυλίων ημικυκλικής διατομής οι οποίοι φέρουν επίπεδα ακτινικά πτερύγια και τοποθετούνται αντικριστά με ένα μικρό διάκενο μεταξύ τους. Τα ακτινικά πτερύγια της αντλίας και του στροβίλου τοποθετούνται σε άνισες αποστάσεις μεταξύ τους, για την αποτροπή θορυβώδους λειτουργίας (Αλεξάνδρου κ.ά., 2001).
Εικόνα 3.3 Μετατροπέας ροπής. Η μηχανική ενέργεια του κινητήρα μετατρέπεται με τη βοήθεια της αντλίας σε κινητική ενέργεια του ρευστού μέσου. Η κινητική ενέργεια μεταφέρεται στον στρόβιλο, όπου με τη βοήθεια των πτερυγίων του, μετατρέπεται και πάλι σε μηχανική ενέργεια. Το ρευστό μέσο, κατά την έξοδο του από το κέντρο του στροβίλου, κτυπά πάνω στα πτερύγια του στάτη και αλλάζει κατεύθυνση. Με τον τρόπο αυτό, κινείται προς την κατεύθυνση περιστροφής της αντλίας, αυξάνοντας τη δύναμη στρέψεως και πολλαπλασιάζοντας τη ροπή. Σε ένα κλειστό κύκλωμα, όπως είναι ο μετατροπέας ροπής, η ροή του ρευστού μέσου είναι συνεχής. Στις χαμηλές στροφές του κινητήρα, η κινητική ενέργεια του ρευστού μέσου είναι πολύ μικρή. Έτσι, η κίνηση δεν μεταδίδεται από την αντλία στον στρόβιλο και ο ελκυστήρας δεν κινείται. Όταν θέλουμε να κινηθεί ο ελκυστήρας, δεν έχουμε παρά να αυξήσουμε τις στροφές του κινητήρα. Υπάρχουν διαθέσιμοι μετατροπείς ροπής με δύο στάτες και δύο αντλίες, καθώς και άλλοι συνδυασμοί, όλοι όμως βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας (Παραδεισιάδης, 2012). 3.1.2 Μηχανικά κιβώτια Οι οδοντωτοί τροχοί (γρανάζια) είναι τα στοιχεία μηχανών που χρησιμοποιούνται περισσότερο στη μετάδοση της κίνησης στους γεωργικούς ελκυστήρες. Σύμφωνα με τη μορφή της οδόντωσης διακρίνονται σε μετωπικά
και ελικοειδή. Η οδόντωση των μετωπικών είναι παράλληλη ως προς τον άξονα περιστροφής. Παρουσιάζουν μικρή επιφάνεια επαφής και μεταδίδουν την περιστροφική κίνηση συνήθως σε παράλληλους άξονες. Η οδόντωση των ελικοειδών είναι υπό γωνία ως προς τον άξονα περιστροφής. Παρουσιάζουν μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής και μπορούν να μεταφέρουν μεγάλα φορτία με υψηλές ταχύτητες (Τσατσαρέλης, 1997). Στον γεωργικό ελκυστήρα για τη σωστή εκμετάλλευση της ισχύος του κινητήρα, απαιτείται αύξηση ή μείωση της ταχύτητάς του με αντίστοιχη μεταβολή της ροπής στρέψης. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται ένας μηχανισμός που ονομάζεται κιβώτιο ταχυτήτων. Το μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων έπεται του κύριου συμπλέκτη και περιλαμβάνει ένα σύστημα οδοντωτών τροχών με διαφορετικές διαμέτρους, τους άξονες (πρωτεύοντα, δευτερεύοντα και ενδιάμεσο), τους τριβείς και τον μηχανισμό αλλαγής των ταχυτήτων. Ειδικότερα, σκοπός του κιβωτίου ταχυτήτων είναι: Να παρέχει σταθερό υποπολλαπλασιασμό των στροφών του κινητήρα. Να παρέχει νεκρό σημείο (να αποσυνδέει τον κινητήρα από το υπόλοιπο σύστημα μετάδοσης). Να παρέχει αντίστροφη κίνηση (όπισθεν). Να παρέχει κίνηση στους βοηθητικούς μηχανισμούς (άξονας δυναμοδότη). Τα μηχανικά κιβώτια ταχυτήτων, ανάλογα με τον τρόπο που συμπλέκονται οι οδοντωτοί τροχοί, διακρίνονται σε: Κιβώτια ταχυτήτων με ολισθαίνοντες οδοντωτούς τροχούς. Κιβώτια ταχυτήτων με ολισθαίνοντα συνδετικά κολλάρα. Κιβώτια ταχυτήτων με μηχανισμό συγχρονισμού. Το κιβώτιο ταχυτήτων με ολισθαίνοντες οδοντωτούς τροχούς είναι απλό στην κατασκευή του και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε ορισμένους τύπους γεωργικών ελκυστήρων. Η ονομασία του οφείλεται στο γεγονός ότι οι οδοντωτοί τροχοί του δευτερεύοντα άξονα ολισθαίνουν κατά μήκος του, για να συνδεθούν με του οδοντωτούς τροχούς του ενδιάμεσου άξονα χωρίς να περιστρέφονται ελεύθερα. Οι οδοντωτοί τροχοί φέρουν πάντα μετωπική οδόντωση. Η ολίσθηση γίνεται με ελάσματα (φουρκέτες) που συνδέονται με το χειρομοχλό επιλογής ταχυτήτων (Τζιβανόπουλος, 1985; Τσατσαρέλης, 1997). Το κιβώτιο ταχυτήτων με ολισθαίνοντα συνδετικά κολλάρα κατασκευάζεται με διάταξη αξόνων σε σειρά ή παράλληλη. Οι οδοντωτοί τροχοί του ενδιάμεσου άξονα φέρουν ελικοειδή οδόντωση και βρίσκονται σε μόνιμη εμπλοκή με τους αντίστοιχους τροχούς του δευτερεύοντα, οι οποίοι περιστρέφονται ελεύθερα πάνω σε αυτόν. Για να συνδέσουμε έναν από αυτούς τους τροχούς με τον δευτερεύοντα άξονα, μετακινούμε το συνδετικό κολλάρο το οποίο φέρει ένα εσωτερικό πολύσφηνο. Το εσωτερικό πολύσφηνο του κολλάρου ολισθαίνει κατά μήκος του εξωτερικού πολύσφηνου που φέρει ένας συνδετικός τροχός. Η σύνδεση του οδοντωτού τροχού γίνεται, όταν το εσωτερικό πολύσφηνο του κολλάρου συμπλέκεται ταυτόχρονα στο εξωτερικό πολύσφηνο του συνδετικού οδοντωτού τροχού και στην πλευρική οδόντωση του τροχού του δευτερεύοντα άξονα (Τζιβανόπουλος, 1985; Τσατσαρέλης, 1997). Το κιβώτιο ταχυτήτων με μηχανισμό συγχρονισμού, όπως και το κιβώτιο με ολισθαίνοντα κολλάρα, έχει τους οδοντωτούς τροχούς σε μόνιμη εμπλοκή (Εικόνα 3.4). Η ουσιαστική διαφορά τους είναι η ύπαρξη ενός μηχανισμού ο οποίος εξισώνει αυτόματα την ταχύτητα περιστροφής των δύο κινούμενων τροχών που πρόκειται να εμπλακούν. Η αρχή λειτουργίας του μηχανισμού συγχρονισμού βασίζεται στην τριβή. Πρόκειται για έναν συνδετικό τροχό ο οποίος έχει τη μορφή διπλού κωνικού συμπλέκτη. Για να επιλέξουμε μία ταχύτητα, μετακινούμε με το χειρομοχλό ταχυτήτων τη φουρκέτα προς τον τροχό που επιδιώκουμε την εμπλοκή του. Η φουρκέτα μετακινεί το κολλάρο μαζί με τον συνδετικό τροχό πάνω στο πολύσφηνο του δευτερεύοντα άξονα και ο εσωτερικός κώνος του συνδετικού τροχού εφάπτεται στον εξωτερικό πλευρικό κώνο του οδοντωτού τροχού της ταχύτητας. Με τον τρόπο αυτό εξισώνεται η ταχύτητα περιστροφής του συνδετικού τροχού με την ταχύτητα περιστροφής του οδοντωτού τροχού. Εάν συνεχίσουμε να πιέζουμε τον χειρομοχλό ταχυτήτων να φθάσει στο τέρμα της διαδρομής του, η φουρκέτα συνεχίζει να πιέζει τον συνδετικό τροχό. Τότε υποχωρούν οι ασφάλειες και το συνδετικό κολλάρο εμπλέκει την πλευρική οδόντωση του τροχού της ταχύτητας και η κίνηση μεταδίδεται ομαλά στον δευτερεύοντα άξονα (Τζιβανόπουλος, 1985; Τσατσαρέλης, 1997). Στα μηχανικά κιβώτια που περιγράψαμε παραπάνω, η μετακίνηση του ολισθαίνοντος τροχού ή κολλάρου γίνεται με φουρκέτα. Η φουρκέτα στηρίζεται σε μία ράβδο οδηγό, η οποία μετακινείται με τον χειρομοχλό ταχυτήτων. Ο χειρομοχλός ταχυτήτων έχει μία σφαίρα, η οποία εφαρμόζει στην αντίστοιχη φωλιά στο κάλυμμα του κιβωτίου και του επιτρέπει να παίρνει διάφορες θέσεις ανάλογα με την ταχύτητα που έχει επιλεγεί. Ένα σύστημα ασφαλίζει τη ράβδο οδηγό στη θέση που έχει μετακινηθεί, ακόμη και στο νεκρό σημείο.
Εικόνα 3.4 Συγχρονισμένο κιβώτιο ταχυτήτων. Στους γεωργικούς ελκυστήρες, για αριθμό ταχυτήτων μεγαλύτερο από πέντε, χρησιμοποιούνται συχνά κιβώτια προεπιλογής, τα οποία παρέχουν μεγαλύτερο αριθμό ταχυτήτων με τον μικρότερο δυνατό αριθμό ζευγών οδοντωτών τροχών. Το κιβώτιο προεπιλογής, συνήθως με δύο ή τρεις ταχύτητες, χρησιμεύει για τη δημιουργία ενδιάμεσων σχέσεων μετάδοσης μεταξύ των σχέσεων του βασικού κιβωτίου. Με την πρώτη ταχύτητα διατηρούνται οι σχέσεις μετάδοσης του βασικού κιβωτίου ταχυτήτων (βαθμίδα λαγός), ενώ με τις άλλες δύο ταχύτητες δημιουργούνται οι ενδιάμεσες σχέσεις μετάδοσης (βαθμίδες χελώνας και σαλιγκάρι). Ουσιαστικά, πρόκειται για τη σύνδεση δύο διαφορετικών κιβωτίων σε σειρά. Για κάθε ένα από αυτά προβλέπεται να γίνεται ανεξάρτητη επιλογή ταχύτητας. Έτσι, ο συνολικός αριθμός ταχυτήτων είναι ίσος προς το γινόμενο του αριθμού των ταχυτήτων του κιβωτίου προεπιλογής επί του αριθμού των ταχυτήτων του βασικού κιβωτίου (Παραδεισιάδης, 2012). Το κιβώτιο μείωσης (reduction gear box), συνήθως με τρεις ή τέσσερεις ταχύτητες, χρησιμεύει για την επέκταση του εύρους των σχέσεων μετάδοσης του βασικού κιβωτίου. Η πρώτη σχέση μετάδοσής του είναι H=1, ενώ η δεύτερη είναι ίση προς το γινόμενο του λόγου μεγίστης-ελαχίστης σχέσης επί το βήμα μεταξύ των διαδοχικών σχέσεων του βασικού κιβωτίου (Ν=3 4). Ανάλογα επιλέγονται οι υπόλοιπες σχέσεις του κιβωτίου μείωσης (L=9,64 και SR=27,12) (Παραδεισιάδης, 2012). Το κιβώτιο προεπιλογής τοποθετείται μπροστά από το βασικό κιβώτιο, γιατί σε αντίθετη περίπτωση οι διαστάσεις του θα έπρεπε να υπολογιστούν με βάση τη μέγιστη ροπή εξόδου του βασικού κιβωτίου. Το κιβώτιο μείωσης τοποθετείται μετά το βασικό κιβώτιο, ώστε η μεγάλη αύξηση της ροπής που προκαλούν οι υψηλές σχέσεις του να μην επηρεάζει τις διαστάσεις του βασικού κιβωτίου. 3.1.3 Πλανητικά κιβώτια Τα πλανητικά κιβώτια ταχυτήτων αποτελούνται από ένα σύστημα οδοντωτών τροχών, οι οποίοι βρίσκονται σε πλανητική διάταξη (μόνιμη σύμπλεξη) και λειτουργούν όπως το ηλιακό μας σύστημα (Παραδεισιάδης, 2012). Ένα απλό πλανητικό κιβώτιο αποτελείται από τρία μέλη με ομόκεντρους άξονες: Τον ήλιο, ο οποίος βρίσκεται στο κέντρο του συστήματος. Τους πλανήτες (συνήθως τρεις), οι οποίοι εδράζονται σε έναν ειδικό φορέα.
Την στεφάνη, η οποία περικλείει το όλο σύστημα. Οι πλανήτες περιστρέφονται ελεύθερα γύρω από τον άξονά τους, ώστε ο φορέας των πλανητών να περιστρέφεται ως προς τον ήλιο και τη στεφάνη, μέσω της κύλισης των πλανητών επί της εξωτερικής οδόντωσης του ήλιου και της εσωτερικής οδόντωσης της στεφάνης. Κατά τη λειτουργία του πλανητικού συστήματος, με τη βοήθεια του πολύδισκου συμπλέκτη και της πέδης (Εικόνα 3.5), είναι δυνατόν να προκύψουν οι παρακάτω καταστάσεις κίνησης (Τζιβανόπουλος, 1985; Τσατσαρέλης, 1997): Όταν απενεργοποιείται ο συμπλέκτης και αντίστοιχα ενεργοποιείται η πέδη, η στεφάνη του πλανητικού συστήματος ακινητοποιείται. Η κίνηση από τον ήλιο μεταδίδεται στον φορέα των πλανητών ο οποίος κινείται με την ίδια φορά περιστροφής, αλλά με μειωμένη ταχύτητα (χαμηλή ταχύτητα). Όταν ενεργοποιείται ο συμπλέκτης και αντίστοιχα απενεργοποιείται η πέδη, ο ήλιος και η στεφάνη είναι σταθερά συνδεδεμένοι μεταξύ τους. Το πλανητικό σύστημα γίνεται ένα σώμα και η κίνηση από τον ήλιο μεταδίδεται ολόκληρη στον φορέα του πλανητικού συστήματος (υψηλή ταχύτητα). Όταν απενεργοποιείται ο συμπλέκτης και ταυτόχρονα απενεργοποιείται η πέδη, τα τρία μέλη του πλανητικού συστήματος κινούνται ελεύθερα (δηλαδή κανένα από αυτά δεν είναι συνδεδεμένο ή ακινητοποιημένο). Η κίνηση από τον ήλιο, δεν μεταδίδεται στον φορέα, δηλαδή στον άξονα εξόδου του πλανητικού συστήματος (νεκρό σημείο). Εικόνα 3.5 Σχηματική παράσταση πλανητικού συστήματος. Για την κατασκευή πλανητικών κιβωτίων με περισσότερες ταχύτητες συνδυάζονται ή συνδέονται περισσότερες πλανητικές μονάδες. 3.1.4 Υδροστατικά κιβώτια Στους γεωργικούς ελκυστήρες, τα μηχανικά κιβώτια είναι δυνατόν να αντικατασταθούν από υδροστατικά. Τα υδροστατικά κιβώτια έχουν ως αποστολή, να λαμβάνουν μηχανική ισχύ με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά (ροπής και στροφών) και να τη μετατρέπουν πάλι σε μηχανική ισχύ, αλλά με διαφορετικά χαρακτηριστικά (Παναγιωτόπουλος, 1997). Τα υδροστατικά κιβώτια είναι υδραυλικά συστήματα ισχύος αποτελούμενα, στην πιο απλή τους μορφή, από ένα ζεύγος υδραυλικής αντλίας-υδραυλικού κινητήρα που συνεργάζονται για την αποτελεσματική μεταφορά της ισχύος, υπό τη μορφή ροπής στρέψεως. Ο κινητήρας μετατρέπει την
υδραυλική ενέργεια του ρευστού μέσου που διοχετεύεται σε αυτόν υπό πίεση μέσω της συζευγμένης στο κύκλωμα αντλίας, σε μηχανική ενέργεια περιστροφικής κίνησης. Στα κυκλώματα αυτά, οι στροφές της αντλίας λαμβάνονται ως σταθερές. Η μεταβολή των στροφών της αντλίας, γεγονός που συμβαίνει στην πράξη, έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία και άλλων συνδυασμών. Εικόνα 3.6 Υδροστατική μετάδοση με αντλία μεταβλητού εκτοπίσματος και υδραυλικό κινητήρα σταθερού εκτοπίσματος. Τα τέσσερα υδραυλικά στοιχεία που δίνουν το συνδυασμό αντλίας-κινητήρα είναι: αντλία σταθερού εκτοπίσματος, αντλία μεταβλητού εκτοπίσματος, κινητήρας σταθερού εκτοπίσματος και κινητήρας μεταβλητού εκτοπίσματος. Ο συνδυασμός των ανωτέρω υδραυλικών στοιχείων σε ένα υδροστατικό σύστημα δίνει διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας στην έξοδό του. Για παράδειγμα, σε ένα υδροστατικό κιβώτιο με αντλία μεταβλητού εκτοπίσματος και υδραυλικό κινητήρα σταθερού εκτοπίσματος (Εικόνα 3.6), η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα εξαρτάται αποκλειστικά από την παροχή της αντλίας. Επειδή όμως ο υδραυλικός κινητήρας, είναι συνδεδεμένος με τους κινητήριους τροχούς, η ταχύτητα και η διεύθυνση κινήσεως του ελκυστήρα εξαρτάται από τη θέση της πλάκας αντλήσεως της αντλίας (Μαυρίδης, 1987). Τα πλεονεκτήματα ενός υδροστατικού συστήματος είναι: α) απεριόριστη και αδιαβάθμητη μεταβολή των στροφών και της ροπής στρέψης, β) έλεγχος της ταχύτητας και της ροπής στρέψης του κινητήρα από απόσταση και με μεγάλη ακρίβεια, γ) άμεση και δίχως κραδασμούς αναστροφή της περιστροφικής κίνησης του κινητήρα, δ) εύκολος χειρισμός σε περίπτωση βλάβης (Κωστόπουλος, 1999). Οι σύγχρονοι γεωργικοί ελκυστήρες συνδυάζουν πολύπλοκα μηχανικά και υδραυλικά συστήματα για τη μετάδοση της κίνησης (Γράβαλος κ.ά., 2009), τα οποία ελέγχονται από ηλεκτρονικές διατάξεις και πρόκειται να αναλυθούν λεπτομερέστερα στα επόμενα υποκεφάλαια. 3.2. Χειροκίνητο-ημιαυτόματο κιβώτιο με επικυκλικό σύστημα οδοντωτών τροχών Ο αριθμός των σχέσεων του κιβωτίου ταχυτήτων ενός γεωργικού ελκυστήρα, επηρεάζει σημαντικά τόσο το αποτέλεσμα της εκτελούμενης εργασίας, όσο και την κατανάλωση του καυσίμου. Έτσι, νεώτεροι τύποι γεωργικών ελκυστήρων είναι εξοπλισμένοι με επικυκλικά (πλανητικά) συστήματα που προσφέρουν μεγάλο αριθμό ενδιάμεσων σχέσεων και επιτρέπουν την αλλαγή των ταχυτήτων εν κινήσει. 3.2.1 Επικυκλικό σύστημα powerspeed Το επικυκλικό σύστημα powerspeed είναι ένα κιβώτιο προεπιλογής του οποίου οι δύο σχέσεις συμπλέκονται υπό φορτίο και χωρίς να ασκηθεί οποιαδήποτε πίεση στον ποδομοχλό του κύριου συμπλέκτη. Η
ενεργοποίηση των σχέσεων του συστήματος powerspeed γίνεται ηλεκτροϋδραυλικά με τη βοήθεια ενός κοινού διακόπτη δύο θέσεων (Lamborghini Trattori, 1988) που έχει κεκλιμένη την πιεστική επιφάνεια (rocker switch) και είναι τοποθετημένος επί του χειρομοχλού επιλογής των ταχυτήτων (Εικόνα 3.7). Με τον τρόπο αυτό, ο αριθμός των ταχυτήτων διπλασιάζεται. Για παράδειγμα σε ένα κιβώτιο με 20 πρόσθιες + 20 οπίσθιες ταχύτητες και τελική ταχύτητα 40 km/h, με την βοήθεια του επικυκλικού συστήματος powerspeed, ο συνολικός αριθμός των ταχυτήτων γίνεται: 40 πρόσθιες + 40 οπίσθιες ταχύτητες. Εικόνα 3.7 Ο διακόπτης δύο θέσεων του επικυκλικού συστήματος powerspeed. Το σύστημα powerspeed αποτελείται από δύο επικυκλικά συστήματα οδοντωτών τροχών και έναν υγρό πολύδισκο συμπλέκτη (multidisc clutch). Όταν ενεργοποιείται ο υγρός πολύδισκος συμπλέκτης (f), ο ήλιος (a) και ο φορέας των πλανητών (sp) συνδέονται σταθερά (Εικόνα 3.8). Το σύστημα περιστρέφεται ως ένα σώμα και η σχέση μετάδοσης είναι 1. Όταν απενεργοποιείται ο υγρός πολύδισκος συμπλέκτης (f), οι πλανήτες (s) με τον ήλιο (a) κινούνται ελεύθερα (Εικόνα 3.9). Έτσι, ο άξονας εξόδου προς τους κινητήριους τροχούς συνεχίζει να περιστρέφεται με μικρότερη ταχύτητα (μειωμένη κατά 17%) διαμέσου του ήλιου (b). Εικόνα 3.8 Η γρήγορη σχέση (λαγός) του επικυκλικού συστήματος powerspeed.
Εικόνα 3.9 Η αργή σχέση (χελώνα) του επικυκλικού συστήματος powerspeed. 3.2.2 Επικυκλικό σύστημα multispeed Το επικυκλικό σύστημα multispeed όπως και το powerspeed είναι ένα κιβώτιο προεπιλογής του οποίου οι τρεις σχέσεις (Πίνακας 3.1) συμπλέκονται υπό φορτίο και χωρίς να ασκηθεί οποιαδήποτε πίεση στον ποδομοχλό του κύριου συμπλέκτη. Το σύστημα multispeed αποτελείται από έναν επικυκλικό μειωτήρα στροφών και τρεις υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες (Low-Med-High) (Εικόνα 3.10). Το κιβώτιο αυτό βρίσκεται μεταξύ κύριου συμπλέκτη και κινητήρα. Ο επικυκλικός μειωτήρας στροφών συμπλέκεται και αποσυμπλέκεται επιλεκτικά με τη βοήθεια των τριών συμπλεκτών οι οποίοι ενεργοποιούνται ηλεκτροϋδραυλικά (Εικόνα 3.11) από έναν κοινό διακόπτη τριών θέσεων που έχει κεκλιμένη την πιεστική επιφάνεια και είναι τοποθετημένος επί του χειρομοχλού επιλογής των ταχυτήτων (Same-Lamborghini- Hürlimann, 1992). Επιλέγοντας την γρήγορη σχέση (λαγός), ο συμπλέκτης Med διακόπτει την λειτουργία του, καθώς η δύναμη των ελατηρίων Belleville έχει ξεπεραστεί από την υδραυλική πίεση. Ταυτόχρονα, ενεργοποιείται ο συμπλέκτης High ο οποίος συνδέει σταθερά τον φορέα των πλανητών με την στεφάνη, έτσι ώστε ο άξονας εξόδου να περιστρέφεται κατά την ίδια φορά με τη στεφάνη, δηλαδή με τον κινητήριο άξονα και η σχέση μετάδοσης είναι 1. Επιλέγοντας την αργή σχέση (σαλιγκάρι), ο συμπλέκτης Med διακόπτει την λειτουργία του, καθώς η δύναμη των ελατηρίων Belleville έχει ξεπεραστεί από την υδραυλική πίεση. Ταυτόχρονα, ενεργοποιείται ο συμπλέκτης Low ο οποίος κρατά τον ήλιο ακίνητο, έτσι ώστε η περιστρεφόμενη στεφάνη να εξαναγκάζει τους πλανήτες σε κύλιση πάνω στον ήλιο και ο άξονας εξόδου να περιστρέφεται με μικρότερη ταχύτητα (η σχέση μετάδοσης είναι 0,695). Επιλέγοντας την μεσαία σχέση (χελώνα), το σύστημα multispeed απομονώνεται εντελώς από το υδραυλικό κύκλωμα ελέγχου των τριών συμπλεκτών και τα ελατήρια Belleville ενεργοποιούν τον συμπλέκτη Med. Ο συμπλέκτης Med κρατά τον εσωτερικό κοίλο άξονα ακίνητο, έτσι ώστε η περιστρεφόμενη στεφάνη να εξαναγκάζει τον μεγαλύτερο από τους πλανήτες σε κύλιση πάνω στην οδόντωση του ακίνητου κοίλου άξονα και ο άξονας εξόδου να περιστρέφεται με μικρότερη ταχύτητα (η σχέση μετάδοσης είναι 0,828).
Συμπλέκτης Low Med High Αριθμός δίσκων 4 2 2 Διάμετρος δίσκων mm 129,5 129,5 129,5 Αριθμός ενδιάμεσων δίσκων 3+1 2+1 2+1 Πίεση λειτουργίας bar 18 18 18 Επικυκλικός μειωτήρας στροφών Αργή σχέση (σαλιγκάρι) 1+(32/72)=1,444 Μεσαία σχέση (χελώνα) 1+(20x18)/(72x24)=1,208 Γρήγορη σχέση (λαγός) 1 Πίνακας 3.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά του επικυκλικού συστήματος multispeed. Εικόνα 3.10 Σχηματική παράσταση του επικυκλικού συστήματος multispeed. Εικόνα 3.11 Σχηματική παράσταση του υδραυλικού κυκλώματος των τριών πολύδισκων συμπλεκτών του επικυκλικού συστήματος multispeed. Α. Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα κατευθύνσεως (πίεση λειτουργίας 18 bar), B. Αντεπίστροφη βαλβίδα επιλογής, C. Ρυθμιστής ροής με βαλβίδα αντεπιστροφής.
Στην Εικόνα 3.12 παρουσιάζεται ένα χειροκίνητο-ημιαυτόματο κιβώτιο τύπου power shift για γεωργικούς ελκυστήρες. Το κιβώτιο αυτό, περιλαμβάνει ένα επικυκλικό σύστημα multispeed ως κιβώτιο προεπιλογής, το βασικό κιβώτιο και ένα κιβώτιο μείωσης, αποδίδοντας συνολικά 27 εμπρόσθιες και 27 οπίσθιες ταχύτητες. Το χαρακτηριστικό γνώρισμα του επικυκλικού συστήματος multispeed που το καθιστά κατάλληλο για το χειροκίνητο-ημιαυτόματο κιβώτιο, είναι ότι για την αλλαγή των ενδιάμεσων ταχυτήτων δεν χρειάζεται να μετακινηθεί κάποιο ή κάποια στοιχεία από τα οποία αποτελείται. Το μόνο που απαιτείται είναι η απελευθέρωση ή συγκράτηση κάποιων από αυτά (με συμπλέκτες και πέδες). Στο βασικό κιβώτιο, οι τρεις ταχύτητες και ο αναστροφέας κατεύθυνσης κίνησης (reverse gear unit) εμπλέκονται μέσω του κύριου πολύδισκου υγρού συμπλέκτη. Κατά την αλλαγή από την 1 η στην 2 η ταχύτητα και αντιστρόφως, μετακινείται ο συνδετικός τροχός του κοινού μηχανισμού συγχρονισμού επάνω στο πολύσφηνο του άξονα και ο εσωτερικός κώνος του συνδετικού τροχού εφάπτεται στον εξωτερικό πλευρικό κώνο του οδοντωτού τροχού της ταχύτητας. Η αλλαγή της 3 ης ταχύτητας γίνεται με τον ίδιο τρόπο, μέσω του δικού της μηχανισμού συγχρονισμού. Το κιβώτιο μείωσης περιλαμβάνει δύο ταχύτητες, μία αργή S (slow) και μία γρήγορη V (fast). Η αλλαγή των ταχυτήτων γίνεται από τον ίδιο τον χειρομοχλό ελέγχου του βασικού κιβωτίου, αφού προηγουμένως ο χειριστής πιέσει τον ποδομοχλό του κύριου πολύδισκου υγρού συμπλέκτη. Επιπλέον, το κιβώτιο μείωσης περιλαμβάνει μία μονάδα υπερ-μειωτήρα (super-reduction gear unit) η οποία ελέγχεται από ανεξάρτητο χειρομοχλό. Οι σχέσεις μετάδοσης που προκύπτουν από τη συνέργεια του βασικού κιβωτίου ταχυτήτων με το επικυκλικό σύστημα multispeed και το κιβώτιο μείωσης παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.2. Εικόνα 3.12 Σχηματική παράσταση χειροκίνητου-ημιαυτόματου κιβωτίου τύπου power shift του ελκυστήρα Lamborghini Formula 135V, στην οποία δεν εικονίζεται το κιβώτιο μείωσης. Κιβώτιο ταχυτήτων Επικυκλικό σύστημα multispeed Αναστροφέας κατεύθυνσης κίνησης Κιβώτιο μείωσης 1 20/40=1/2,1500 2 28/36=1/1,2857 3 36/28=1/0,7778 L (93+42/93)=1,4516 N 1+(24/93 x 33/42)=1,2028 H 1 A 1 R (24/33) x (33/29) x (36/28)=1,0640 SR (48/21) x (43/26) x (67+17/17)=18,678 S (48/21) x (43/26)=3,7802 V 1 Πίνακας 3.2 Οι σχέσεις μετάδοσης χειροκίνητου-ημιαυτόματου κιβωτίου τύπου power shift.
3.3. Ημιαυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων power shift Τα ημιαυτόματα κιβώτια (semi-automatic gearboxes) είναι κατά βάση μηχανικά κιβώτια αλλαγής ταχυτήτων υπό φορτίο. Κατασκευάζονται ως συνδυασμός ενός βασικού κιβωτίου ταχυτήτων με υποβοηθητικό υδροστατικό σύστημα και ενός επικυκλικού (πλανητικού) συστήματος. Ο χειριστής επιλέγει την επιθυμητή ταχύτητα με χειρομοχλό ή πλήκτρο και η εμπλοκή της κατά την εκκίνηση ή η αλλαγή της κατά τη διάρκεια της πορείας εκτελείται αυτόματα από έναν ηλεκτρο-ϋδραυλικό μηχανισμό. Τα ημιαυτόματα κιβώτια παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα (άνετη οδήγηση, έγκαιρη και γρήγορη αλλαγή των ταχυτήτων) έναντι των χειροκίνητων και για το λόγο αυτό διευρύνεται διαρκώς η χρήση τους. Στην Εικόνα 3.13 παρουσιάζεται ένα ημιαυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων power shift για γεωργικούς ελκυστήρες. Το κιβώτιο αυτό, περιλαμβάνει το επικυκλικό σύστημα multispeed ως κιβώτιο προεπιλογής, το βασικό κιβώτιο ταχυτήτων με υποβοηθητικό υδροστατικό σύστημα και ένα κιβώτιο μείωσης, αποδίδοντας συνολικά 27 εμπρόσθιες και 27 οπίσθιες ταχύτητες. Στο βασικό κιβώτιο, η αλλαγή των τριών ταχυτήτων γίνεται αυτόματα χωρίς την ενεργοποίηση του κύριου υγρού συμπλέκτη. Δηλαδή, η αλλαγή των ταχυτήτων γίνεται χωρίς διακοπή της ροής ισχύος προς τους κινητήριους τροχούς. Για την αλλαγή των ταχυτήτων χρησιμοποιούνται ηλεκτροϋδραυλικά ενεργοποιούμενοι πολύδισκοι συμπλέκτες. Η σύμπλεξη του αναστροφέα κατεύθυνσης κίνησης γίνεται χειροκίνητα μέσω του κύριου υγρού συμπλέκτη. Στην Εικόνα 3.14 παρουσιάζεται το κιβώτιο μείωσης το οποίο περιλαμβάνει δύο ταχύτητες, μία αργή S (slow) και μία γρήγορη V (fast). Η αλλαγή των ταχυτήτων γίνεται χειροκίνητα, αφού προηγουμένως ο χειριστής πιέσει τον ποδομοχλό του κύριου υγρού συμπλέκτη. Επιπλέον, το κιβώτιο μείωσης περιλαμβάνει τη μονάδα του υπερμειωτήρα (super-reduction gear unit) και τον συμπλέκτη του εμπρόσθιου διαφορικού. Ο υπερ-μειωτήρας ελέγχεται από ανεξάρτητο χειρομοχλό. Εικόνα 3.13 Σχηματική παράσταση ημιαυτόματου κιβωτίου power shift του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Racing 165, στην οποία δεν εικονίζεται το κιβώτιο μείωσης.
Εικόνα 3.14 Σχηματική παράσταση του κιβωτίου μείωσης του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Racing 165. 1. Μονάδα υπερ-μειωτήρα, 2. Διπλός οδοντωτός τροχός αργής και γρήγορης ταχύτητας μαζί με τον μηχανισμό συγχρονισμού, 3. Συμπλέκτης εμπρόσθιου διαφορικού. Εικόνα 3.15 Ένα ολοκληρωμένο σύστημα μετάδοσης κίνησης τύπου power shift το οποίο χρησιμοποιείται για εκπαιδευτικούς σκοπούς (Technical training center at the Same Deutz-Fahr Academy in Treviglio). Στο ημιαυτόματο κιβώτιο power shift, η αλλαγή των ταχυτήτων στο κιβώτιο μείωσης και η σύμπλεξη του αναστροφέα κατεύθυνσης κίνησης, όπως ήδη αναφέρθηκε ανωτέρω, γίνονται πάντα με την επενέργεια του κύριου υγρού συμπλέκτη. Η μονάδα του κύριου συμπλέκτη αποτελείται από τον ποδομοχλό ελέγχου, τη βαλβίδα ελέγχου, την αντεπίστροφη βαλβίδα, τον ακροδέκτη πολλαπλών υποδοχών και τον υγρό πολύδισκο συμπλέκτη.
Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα διάφορα στάδια λειτουργίας του ηλεκτρο-ϋδραυλικού κυκλώματος του κύριου συμπλέκτη: Α). Όταν ο κινητήρας είναι εκτός λειτουργίας, ο κύριος υγρός συμπλέκτης είναι απενεργοποιημένος λόγω της δράσης του ελατηρίου (1) και η δίοδος (a) του συμπλέκτη συνδέεται απευθείας με τη δίοδο αποστράγγισης διαμέσου του ολισθαίνοντος εμβόλου (2) (Εικόνα 3.16). Β). Όταν ο κινητήρας είναι σε λειτουργία, η υδραυλική αντλία (3) στέλνει λάδι υπό πίεση στην βαλβίδα ελέγχου (4). Εάν ο χειριστής του γεωργικού ελκυστήρα δεν πιέσει τον ποδομοχλό του συμπλέκτη, η ροή του λαδιού διοχετεύεται μέσω της βαλβίδας ελέγχου (4) στην δίοδο (b). Στη συνέχεια το λάδι καταλαμβάνει τον θάλαμο (c) και από εκεί μέσω της διόδου (d) κατευθύνεται αντίθετα προς το ολισθαίνον έμβολο. Καθώς δεν έχει επιλεγεί ο αναστροφέας κατεύθυνσης κίνησης, ο θάλαμος (e) είναι κλειστός και το ολισθαίνον έμβολο (2) διατηρείται στην θέση του λόγω της δράσης του ελατηρίου (5) (Εικόνα 3.16). Γ). Όταν έχει επιλεγεί ο αναστροφέας κατεύθυνσης κίνησης (χωρίς να γίνει χρήση του ποδομοχλού του συμπλέκτη), η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU) (6) ενεργοποιεί την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα (7) η οποία ελέγχει την αντεπίστροφη βαλβίδα (8). Το λάδι υπό πίεση διοχετεύεται στον θάλαμο (X) της ανεπίστροφης βαλβίδας με αποτέλεσμα να μετακινηθεί το έμβολο (9), ενώ το λάδι από το θάλαμο (X1) επιστρέφει πίσω στη δεξαμενή. Καθώς μετακινείται το έμβολο (9), ελευθερώνεται η δίοδος που φράζει τον αγωγό (f) με αποτέλεσμα το εγκλωβισμένο λάδι από το θάλαμο (e) να κατευθύνεται προς το κύκλωμα επιστροφής και να μειώνεται η πίεση. Αντιθέτως, η πίεση στο θάλαμο (g) παραμένει αμετάβλητη και η αναπτυσσόμενη δύναμη υπερνικά την αντίσταση του ελατηρίου (5) μετακινώντας το ολισθαίνον έμβολο (2) προς τα πάνω. Με τον τρόπο αυτό, ο θάλαμος (c) διασυνδέεται με τη δίοδο (a) και ενεργοποιείται ο υγρός πολύδισκος συμπλέκτης (Εικόνα 3.17). Δ). Όταν ο χειριστής πιέσει μερικώς τον ποδομοχλό με τον ελκυστήρα σε κίνηση, μία ποσότητα λαδιού από την υδραυλική αντλία (3) αποφορτίζεται μέσω της βαλβίδας ελέγχου (4). Τότε μειώνεται η πίεση στη δίοδο (b), στον θάλαμο (c) και στη δίοδο (a) (Εικόνα 3.18). Ε). Όταν ο χειριστής πιέσει πλήρως τον ποδομοχλό με τον ελκυστήρα σε κίνηση, το συμπιεσμένο λάδι από τη δίοδο (a) επιστρέφει στην δεξαμενή. Καθώς η πίεση στον θάλαμο (g) μηδενίζεται, το ολισθαίνον έμβολο (2) ωθείται προς τα κάτω από τη δύναμη του ελατηρίου (5) με τον τρόπο αυτό γίνεται σύνδεση μεταξύ των διόδων (a) και (h) και ελευθερώνεται ο συμπλέκτης (Εικόνα 3.19). Έτσι, ο έλεγχος ταχυτήτων μπορεί να γίνει πλέον με μηχανικό τρόπο. Εικόνα 3.16 Σχηματική παράσταση λειτουργίας του ηλεκτροϋδραυλικού κυκλώματος του υγρού συμπλέκτη όταν ο κινητήρας είναι σε λειτουργία (του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260).
Εικόνα 3.17 Σχηματική παράσταση λειτουργίας του ηλεκτροϋδραυλικού κυκλώματος του υγρού συμπλέκτη όταν έχει επιλεγεί ο αναστροφέας κατεύθυνσης κίνησης (του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260). Εικόνα 3.18 Σχηματική παράσταση λειτουργίας του ηλεκτροϋδραυλικού κυκλώματος του υγρού συμπλέκτη όταν ο χειριστής πιέσει μερικώς τον ποδομοχλό με τον ελκυστήρα σε κίνηση (του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260).
Εικόνα 3.19 Σχηματική παράσταση λειτουργίας του ηλεκτροϋδραυλικού κυκλώματος του υγρού συμπλέκτη όταν ο χειριστής πιέσει πλήρως τον ποδομοχλό με τον ελκυστήρα σε κίνηση (του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260). Το βασικό κιβώτιο ταχυτήτων, για την ενεργοποίηση των υγρών πολύδισκων συμπλεκτών, έχει και ένα υποβοηθητικό υδροστατικό σύστημα. Το υδροστατικό σύστημα περιλαμβάνει δεξαμενή λαδιού, υδραυλική αντλία, φίλτρο, ψυγείο λαδιού, σωληνώσεις, βαλβίδες ελέγχου πίεσης, βαλβίδες ελέγχου ροής λαδιού και υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες. Το βασικό κιβώτιο ταχυτήτων, εκτός του υδροστατικού συστήματος, διαθέτει ένα ηλεκτρονικό σύστημα για τον έλεγχο και την επιλογή της κατάλληλης σχέσης. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU) του κιβωτίου power shift διαχειρίζεται με αυτόματο τρόπο όλες τις ενδιάμεσες αλλαγές ταχυτήτων που απαιτούνται για να γίνει η μετακίνηση από την τρέχουσα επιλεγμένη ταχύτητα προς την ταχύτητα που επιθυμεί ο χειριστής του γεωργικού ελκυστήρα. Η κάθε ταχύτητα θα παραμείνει σε εμπλοκή για ορισμένο χρονικό διάστημα πριν γίνει η εμπλοκή της επόμενης. Αυτό επιτρέπει στην ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα να ομαλοποιηθεί πριν πραγματοποιηθεί η επόμενη αλλαγή. Αυτό δεν ισχύει όταν ο χειριστής επιλέξει μία ταχύτητα που γειτνιάζει άμεσα με την τρέχουσα. Στην Εικόνα 3.20 παρουσιάζονται οι επιλεγόμενες ταχύτητες, η ροή της ισχύος και οι αντίστοιχοι ενεργοποιούμενοι υγροί πολύδισκοι συμπλέκτες, ενός κιβωτίου τύπου power shift με τέσσερεις εμπρόσθιες και τέσσερις οπίσθιες ταχύτητες (McCormick Tractors). Κάθε φορά που η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου πραγματοποιεί αλλαγή ταχύτητας, μετρά την πίεση του λαδιού που παρέχεται στους υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες, ώστε η εμπλοκή να γίνεται βαθμιαία και ομαλά (Εικόνα 3.21) (Same-Lamborghini-Hürlimann, 1992).
Εικόνα 3.20 Οι επιλεγόμενες ταχύτητες, η ροή της ισχύος και οι αντίστοιχοι ενεργοποιούμενοι υγροί πολύδισκοι συμπλέκτες, ενός κιβωτίου power shift.
Εικόνα 3.21 Διάγραμμα υδραυλικών πιέσεων των υγρών πολύδισκων συμπλεκτών ημιαυτόματου κιβωτίου power shift, κατά την εναλλαγή των σχέσεων.
Τα ημιαυτόματα κιβώτια power shift παρουσιάζουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: Έχουν λιγότερα κινούμενα μέρη (έχουν λιγότερους άξονες, δεν έχουν φουρκέτες, μηχανισμούς συγχρονισμού, μοχλούς) και επομένως εμφανίζουν μικρότερες φθορές και βλάβες. Δεν έχουν μηχανικό συμπλέκτη αλλά υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες, που μπορούν να μεταφέρουν υψηλές ροπές στρέψης χωρίς ολίσθηση, υπερθερμάνσεις και φθορές. Η αλλαγή των ταχυτήτων γίνεται ηλεκτροϋδραυλικά, γρήγορα, χωρίς πάτημα του συμπλέκτη, χωρίς να διακοπεί η ροή της ισχύος και συνεπώς χωρίς απώλειες. Η αλλαγή κατεύθυνσης κίνησης γίνεται επίσης με υγρό πολύδισκο συμπλέκτη γρήγορα και χωρίς δυσκολία. Ο χειρισμός γίνεται με πλήκτρα ή διακόπτες, είναι άνετος και χωρίς κόπο, για πολλές ώρες δουλειάς. Τα ημιαυτόματα κιβώτια power shift παρουσιάζουν τα ακόλουθα μειονεκτήματα: Έχουν αυξημένο κόστος κατασκευής και απαιτούν υψηλής ποιότητας υλικά κατασκευής. Η διάγνωση και η επισκευή των βλαβών τους απαιτεί εξειδικευμένα διαγνωστικά εργαλεία και εξειδικευμένους τεχνικούς. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε γεωργικούς ελκυστήρες μεγάλης ιπποδύναμης. 3.4. Αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων power shift Τα τελευταία χρόνια πλήρως αυτοματοποιημένα κιβώτια ταχυτήτων power shift αντικαθιστούν σταδιακά τα χειροκίνητα-ημιαυτόματα κιβώτια ταχυτήτων. Αυτά τα εξελιγμένα κιβώτια ταχυτήτων βασίζονται στην ηλεκτρονική τεχνολογία και παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως άνετη οδήγηση, μικρό χρόνο αλλαγής των σχέσεων, οικονομία καυσίμου, μειωμένες φθορές, μειωμένο θόρυβο. Στην Εικόνα 3.22 παρουσιάζεται ένα πλήρως αυτοματοποιημένο κιβώτιο ταχυτήτων power shift. Η μετάδοση της κίνησης από τον κινητήρα προς το ηλεκτροϋδραυλικό κιβώτιο των έξι ταχυτήτων γίνεται μέσω ενός μετατροπέα ροπής στρέψης. Ο μετατροπέας χρησιμεύει ως συμπλέκτης εκκίνησης και ταυτόχρονα ενισχύει τη ροπή στρέψης. Στο αυτόματο κιβώτιο που θα παρουσιάσουμε στη συνέχεια, υπάρχει ένας κύριος συμπλέκτης και ένα ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα. Το ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα τοποθετείται αμέσως μετά τον μετατροπέα, ώστε να πραγματοποιεί αλλαγές στη ροπή στρέψης και στις στροφές, καθώς και αναστροφή της κατεύθυνσης κίνησης. Επιπλέον, πριν από τον κύριο συμπλέκτη και μετά το ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα υπάρχει ένας υπερ-μειωτήρας στροφών, έτσι ώστε η μείωση των στροφών να γίνεται πριν το ηλεκτροϋδραυλικό κιβώτιο των έξι ταχυτήτων. Εικόνα 3.22 Πλήρως αυτοματοποιημένο κιβώτιο ταχυτήτων power shift του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Racing 165. 1. Κινητήρας, 2. Μετατροπέας ροπής στρέψης, 3. Ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα, 4. Υπερ-μειωτήρας στροφών, 5. Κύριος συμπλέκτης, 6. Άξονας οπίσθιου δυναμοδότη και οδοντωτός τροχός μετάδοσης κίνησης στις υδραυλικές αντλίες του ελκυστήρα, 7. Ηλεκτρο-ϋδραυλικό κιβώτιο έξι ταχυτήτων, 8. Πινιόν, 9. Συμπλέκτης εμπρόσθιου διαφορικού, 10. Άξονας εμπρόσθιου διαφορικού.
3.4.1 Μετατροπέας ροπής στρέψης Στην Εικόνα 3.23 παρουσιάζεται ο μετατροπέας ροπής στρέψης. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η λειτουργία του μετατροπέα είναι να μεταφέρει την κίνηση από τον κινητήρα (1) στο ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα οδοντωτών τροχών (2), λειτουργώντας ως ένας αυτόματος συμπλέκτης. Ο μετατροπέας αποτελείται από την αντλία (5) η οποία είναι συνδεδεμένη με τον σφόνδυλο (4) και παίρνει κίνηση από τον κινητήρα. Καθώς η αντλία αρχίζει να περιστρέφεται, κατευθύνει τη ροή του ρευστού μέσου πάνω στα πτερύγια του στροβίλου (6). Με τον τρόπο αυτό μεταδίδεται η κίνηση στον στρόβιλο ο οποίος αρχίζει να περιστρέφεται και μαζί του περιστρέφεται ο άξονας εξόδου (3) του μετατροπέα. Ο μετατροπέας αυξομειώνει αυτόματα τις στροφές ανάλογα με τις μεταβολές της αναπτυσσόμενης ροπής. Η αποδοτικότητα του μετατροπέα ροπής κυμαίνεται περίπου από 1,1 έως 1. Περισσότερες πληροφορίες, για την αρχή λειτουργίας του μετατροπέα ροπής στρέψης, έχουν δοθεί ήδη στο υποκεφάλαιο 3.1.1. Εικόνα 3.23 Ο μετατροπέας ροπής στρέψης του πλήρως αυτοματοποιημένου κιβωτίου ταχυτήτων power shift του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260. 1. Κινητήρας, 2. Ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα, 3. Άξονας μετατροπέα ροπής, 4. Σφόνδυλος, 5. Αντλία, 6. Στρόβιλος, 7. Άξονας οπίσθιου δυναμοδότη, 8. Άξονας εμπρόσθιου διαφορικού, 9. Πώμα πληρώσεως λαδιού.
3.4.2 Ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα Το ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα αποτελείται από: α) το υποβοηθητικό υδροστατικό σύστημα παραγωγής της πίεσης, β) το επικυκλικό σύστημα με τους υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες και γ) το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου. Το υποβοηθητικό υδροστατικό σύστημα παραγωγής της πίεσης περιλαμβάνει μία αντλία, φίλτρα λαδιού, αγωγούς και σειρά βαλβίδων ασφαλείας. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.24, οι υγροί πολύδισκοι συμπλέκτες A, B, C, D, F, G έχουν ως αποστολή να συνδέουν κατάλληλα τους οδοντωτούς τροχούς του επικυκλικού συστήματος, από τους οποίους προκύπτουν οι αντίστοιχες σχέσεις μετάδοσης: L (αργή), M (μεσαία), H (γρήγορη) και S (πολύ γρήγορη). Εικόνα 3.24 Το ηλεκτροϋδραυλικό επικυκλικό σύστημα οδοντωτών τροχών με τους υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες A, B, C, D, F, G του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260. Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου το οποίο παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.25, έχει ως αποστολή την εμπλοκή της κατάλληλης σχέσης την κατάλληλη στιγμή. Περιλαμβάνει την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU), τους αισθητήρες, τον μοχλό επιλογής ταχυτήτων (πολυχειριστήριο), την ηλεκτροϋδραυλική μονάδα (βαλβιδοφόρος), τον πίνακα ελέγχου και μία μικρή οθόνη υγρών κρυστάλλων.
Εικόνα 3.25 Το σύστημα ελέγχου του επικυκλικού συστήματος. Η ECU του κιβωτίου ταχυτήτων με την βοήθεια των αισθητήρων λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με τη θέση του μοχλού επιλογής ταχυτήτων, την πίεση του λαδιού στους υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες, τη θερμοκρασία λαδιού στο κιβώτιο, την κατεύθυνση και ταχύτητα κίνησης του γεωργικού ελκυστήρα. Επίσης, επικοινωνεί μέσω του διαύλου CAN με την αντίστοιχη ECU του κινητήρα από την οποία λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με το φορτίο του κινητήρα (αριθμός στροφών, θέση ποδομοχλού τροφοδοσίας). Με βάση τα δεδομένα αυτά επενεργεί στην ηλεκτροϋδραυλική μονάδα. Επιπλέον, ο προγραμματισμός της ECU του κιβωτίου ταχυτήτων περιλαμβάνει διαφορετικές περιπτώσεις λειτουργίας με διαφορετικές απαιτήσεις, όπως την εκκίνηση με υψηλό ή χαμηλό φορτίο, την πέδηση με τον κινητήρα σε κατηφορικό έδαφος, κ.ά. Ειδικότερα, διαθέτει τους ακόλουθους τρόπους λειτουργίας (operating modes): μηχανικό (manual), αυτόματο οικονομικό (automatic economy) και αυτόματο ισχύος (automatic power). Με την εκκίνηση του κινητήρα, το κιβώτιο ταχυτήτων βρίσκεται πάντα υπό τον έλεγχο του χειριστή (μηχανικός τρόπος λειτουργίας), γεγονός που υποδεικνύεται με ένα φωτεινό σήμα στον πίνακα οργάνων. Ο χειριστής πιέζοντας ταυτόχρονα το πλήκτρο ενεργοποίησης (enable button) με το πλήκτρο επιλογής ταχυτήτων, τα οποία βρίσκονται επί του πολυ-χειριστηρίου (Εικόνα 3.26), επιλέγει την πρώτη ταχύτητα και με τον τρόπο αυτό θέτει τον ελκυστήρα σε κίνηση. Πιέζοντας σταθερά το πλήκτρο επιλογής ταχυτήτων, ο χειριστής μπορεί να προκαλέσει τη βαθμιαία αλλαγή αυτών μέχρι και τη μέγιστη ή μπορεί να επιλέξει μία ταχύτητα της αρεσκείας του. Επίσης, πιέζοντας ταυτόχρονα το πλήκτρο ενεργοποίησης με το πλήκτρο αντίστροφης κίνησης (reverse shuttle button), ο ελκυστήρας που κινείται προς τα εμπρός, αναστρέφει την πορεία του. Τέλος, η ECU του κιβωτίου περιλαμβάνει προγράμματα έκτακτης ανάγκης (πρόγραμμα SOS) και διάγνωσης βλαβών.
Εικόνα 3.26 Πολυχειριστήριο (joystick) επιλογής ταχυτήτων και αναστροφέα κίνησης του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Racing 165. Στην Εικόνα 3.27 παρουσιάζεται το λειτουργικό διάγραμμα της ηλεκτρο-ϋδραυλικής μονάδας (βαλβιδοφόρος). Η ηλεκτροϋδραυλική μονάδα αποτελείται από δύο τμήματα. Το άνω τμήμα περιλαμβάνει τις ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες εντολής και τη βαλβίδα κατευθύνσεως για την εμπρόσθια και την ανάστροφη κίνηση. Το κάτω τμήμα, στο οποίο είναι σκαλισμένες οι δίοδοι του λαδιού προς τα ελεγχόμενα εξαρτήματα, περιλαμβάνει τη θήκη με τις ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες καθώς και μία σειρά βαλβίδων ασφάλειας για τον έλεγχο της πίεσης λαδιού πάνω από τα επιτρεπόμενα όρια.
Εικόνα 3.27 Το λειτουργικό διάγραμμα ηλεκτροϋδραυλικής μονάδας (βαλβιδοφόρος) του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260. (Y6). Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα εντολής για την επιλογή της εμπρόσθιας κατεύθυνσης κίνησης, (Y7). Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα εντολής για την επιλογή της ανάστροφης κατεύθυνσης κίνησης, (VR). Βαλβίδα κατευθύνσεως εμπρόσθιας/ανάστροφης κίνησης, (S2). Βαλβίδα ανακουφίσεως, (B1). Αναπνευστήρας, (G1). Βαλβίδα επιλογής υγρών συμπλεκτών A/B ή F/G, (S1). Βαλβίδα ανακουφίσεως, (H2). Βαλβίδα εμπλοκής υγρών συμπλεκτών C/D, (H1). Βαλβίδα εμπλοκής υγρών συμπλεκτών A/B ή F/G, (Y3). Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα εντολής για την εμπλοκή της βαλβίδας H2, (Y4). Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα εντολής για την εμπλοκή της βαλβίδας H1, (Y1). Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα εντολής για την επιλογή της βαλβίδας G1, (Y5). Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα εντολής για την επιλογή της βαλβίδας δρόμου/αγρού, (Y2). Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα εντολής για την επιλογή της βαλβίδας G2 των υγρών συμπλεκτών C ή D, (P3). Βαλβίδα ρύθμισης της πίεσης εντολής (10 bar), (G2). Βαλβίδα επιλογής υγρών συμπλεκτών C ή D, (P4). Βαλβίδα ρύθμισης της πίεσης λειτουργίας (19.8 bar), (U). Βαλβίδα επιλογής τρόπου λειτουργίας δρόμου/αγρού, (P1). Αναλογική βαλβίδα πίεσης, (P2). Βαλβίδα δύο δρόμων, (R1). Βαλβίδα επιβραδύνσεως.
Στους Πίνακες 3.3 (α) και 3.3 (β) παρουσιάζονται οι συνδυασμοί λειτουργίας των επιμέρους ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων της ηλεκτροϋδραυλικής μονάδας που ελέγχουν αντίστοιχα τους υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες (A, B, C, D, F και G) του επικυκλικού συστήματος. Ηλεκτρομαγνητικές Εμπρόσθιες ταχύτητες Οπίσθιες ταχύτητες βαλβίδες L M H S L M H S Y6 Y7 Y1 Y2 Y3 Y4 Πίνακας 3.3 (α) Η κατάσταση λειτουργίας των επιμέρους ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων της ηλεκτροϋδραυλικής μονάδας, όταν η επιλογή γίνεται κλιμακωτά από την ταχύτητα L προς την S (L-M-H-S). Ηλεκτρομαγνητικές Εμπρόσθιες ταχύτητες Οπίσθιες ταχύτητες βαλβίδες S H M L S H M L Y6 Y7 Y1 Y2 Y3 Y4 Πίνακας 3.3 (β) Η κατάσταση λειτουργίας των επιμέρους ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων της ηλεκτροϋδραυλικής μονάδας, όταν η επιλογή γίνεται κλιμακωτά από την ταχύτητα S προς την L (S-H-M-L). Πλήρης ενεργοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας Μερική ενεργοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας 3.4.3 Κύριος συμπλέκτης Ο κύριος συμπλέκτης του αυτόματου κιβωτίου power shift είναι ένας υγρός πολύδισκος συμπλέκτης με ηλεκτροϋδραυλικό έλεγχο. Η λειτουργία του κύριου συμπλέκτη είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και ελέγχεται από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU) η οποία λαμβάνει σήμα από τον αισθητήρα (περιστροφικό ποτενσιόμετρο) του ποδομοχλού του συμπλέκτη (Εικόνα 3.28). Το σύστημα ελέγχου περιλαμβάνει μία ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα η οποία κατευθύνει με πίεση το ρευστό μέσο (λάδι) στο έμβολο του πολύδισκου συμπλέκτη σύμφωνα με τη θέση που καταλαμβάνει ο ποδομοχλός.
Εικόνα 3.28 Ηλεκτρονικός-υδραυλικός έλεγχος του κύριου συμπλέκτη του γεωργικού ελκυστήρα Lamborghini Victory 230/260. 1. Ποδομοχλός συμπλέκτη, 2. Αισθητήρας θέσης του ποδομοχλού, 3. Ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου κιβωτίου ταχυτήτων, 4. Αντλία υδροστατικού κυκλώματος, 5. Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, 6. Κύριος συμπλέκτης. Περισσότερες πληροφορίες για τη λειτουργία του κύριου συμπλέκτη καθώς και το ηλεκτροϋδραυλικό κιβώτιο των έξι ταχυτήτων δίνονται στο υποκεφάλαιο 3.3. 3.5. Κιβώτιο συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης Το κιβώτιο συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης (continuously variable transmission), γνωστό και ως CVT, είναι ένας ακόμη τύπος αυτόματου κιβωτίου ταχυτήτων. Με το CVT δεν έχουμε μεταβολή της σχέσης μετάδοσης με κλιμακωτό τρόπο (δηλαδή, με επιλογή συγκεκριμένων σχέσεων), αλλά με συνεχόμενο τρόπο (δηλαδή με επιλογή απεριόριστου αριθμού σχέσεων) εντός συγκεκριμένου εύρους (Carbone et al., 2007). Η αρχή λειτουργίας του CVT είναι σχετικά απλή και διαφέρει από αυτή των άλλων κιβωτίων ταχυτήτων (Πίνακας 3.4). Η μετάδοση της κίνησης στους τροχούς γίνεται μέσω υδραυλικών διατάξεων (υδροστατικών και υδροδυναμικών), αν και υπάρχει απλούστερη διάταξη που λειτουργεί με ένα ζεύγος τροχαλιών μεταβλητής διαμέτρου με ιμάντα, που επιτρέπει στον κινητήρα να λειτουργεί με μεγάλη ευχέρεια στις στροφές στις οποίες παρουσιάζει το μέγιστο βαθμό απόδοσης, ο οποίος κατά κανόνα είναι στις στροφές μέγιστης ροπής στρέψης. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται μέγιστη οικονομία καυσίμου (Renius, 1968; Renius, 1999).
Πίνακας 3.4 Αρχή λειτουργίας κιβωτίων συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης (Copyright 2005 by Renius and Resch). Τα CVTs ανάλογα με τον τρόπο μετάδοσης της ισχύος διακρίνονται σε κιβώτια με ή χωρίς διαίρεση ισχύος (Πίνακας 3.5) (Linares et al., 2010). Στα κιβώτια χωρίς διαίρεση ισχύος, υπάρχει μόνο μία διαδρομή για τη μετάδοση της ισχύος. Ολόκληρη η ισχύς μεταδίδεται από τον κινητήρα μέσω της μονάδας συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης. Αντίθετα, στα κιβώτια με διαίρεση, η ισχύς μοιράζεται σε δύο διαδρομές. Ένα μέρος αυτής μεταδίδεται μέσω της μονάδας συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης και στη συνέχεια η ισχύς αθροίζεται εκ νέου στην έξοδο του κιβωτίου. Τα κιβώτια με διαίρεση ισχύος είναι ιδιαίτερα χρήσιμα στις χαμηλές ταχύτητες (π.χ. στη φάση της επιτάχυνσης του οχήματος). Επιπλέον, υπάρχουν τα κιβώτια με μικτό σύστημα μετάδοσης. Τα κιβώτια αυτά φέρουν συμπλέκτες ή πέδες που τα επιτρέπουν να λειτουργούν και με τους δύο ανωτέρω τρόπους, με ή χωρίς διαίρεση. Πίνακας 3.5 Κατηγοριοποίηση των CVT σύμφωνα με τον τρόπο μετάδοσης της ισχύος.
Η εξέλιξη των CVTs άρχισε πριν από 100 χρόνια. Πρώτη η Renault (1907) παρουσίασε ένα καινοτόμο υδροστατικό-μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων με διαίρεση ισχύος για επιβατικά αυτοκίνητα. Αυτή η εξαιρετική ιδέα απέτυχε λόγω των προβλημάτων με τις απαιτούμενες ανοχές, τα υλικά και το κόστος παραγωγής. Την ίδια περίοδο παρουσιάζεται από τη γερμανική εταιρεία Stock (1907) ένα πρωτότυπο CVT για αυτοκινούμενα άροτρα. Αυτή η ιδέα επίσης εγκαταλείφτηκε πρόωρα λόγω μεγάλων απωλειών της ισχύος και τεχνικών προβλημάτων. Ο Hans Thoma είναι πατέρας των αντλιών αξονικών εμβόλων των οποίων η μαζική παραγωγή άρχισε το 1937, αρχικά για στρατιωτικές εφαρμογές, όπως άρματα μάχης, αεροσκάφη, κ.ά. και μετά τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο χρησιμοποιήθηκαν και σε πολιτικές εφαρμογές. Οι αντλίες με τεθλασμένο άξονα ανακαλύφτηκαν για πρώτη φορά στις ΗΠΑ το 1942 από τον Denison. Η πρώτη μεγάλη έρευνα που αφορούσε τη χρήση υδροστατικών CVTs σε γεωργικούς ελκυστήρες πραγματοποιήθηκε από το Εθνικό Ινστιτούτο Γεωργικής Μηχανικής (NIAE) στο Silsoe του Ηνωμένου Βασιλείου (1954). Επίσης, εταιρείες κατασκευής γεωργικών ελκυστήρων στις ΗΠΑ αναπτύσσουν διάφορα πρωτότυπα CVTs την περίοδο αυτή ή λίγο αργότερα. Όμως, η πρώτη εμπορική προώθηση υδροστατικού CVT για γεωργικούς ελκυστήρες έγινε από τη γερμανική εταιρεία "Eicher" με το νέο ελκυστήρα "Mammut HR" που έφερε την υδροστατική μονάδα "Taurodyne" της Dowty το 1965. Στα τέλη της δεκαετίας του 80 οι εταιρείες Claas και Fendt ξεκίνησαν την ανάπτυξη υδροστατικών-μηχανικών κιβωτίων ταχυτήτων με διαίρεση ισχύος. To CVT "Vario" της Fendt παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στην έκθεση AGRITECHNICA 1995 και άρχισε να παράγεται για τον ελκυστήρα μεγάλης ιπποδύναμης Fendt 926 Vario, από το 1996. Μετά την μεγάλη επιτυχία που είχε το CVT "Vario" της Fendt, ακολούθησαν και άλλες μεγάλες κατασκευάστριες εταιρείες όπως η Steyr και John Deere, με τα δικά τους υδροστατικά - μηχανικά κιβώτια ταχυτήτων με διαίρεση ισχύος (Renius and Resch, 2005). 3.5.1 Μηχανικά CVT Η αρχή λειτουργίας των μηχανικών CVTs είναι θεωρητικά απλή. Δε διαθέτουν συμπλέκτη, αλλά ούτε μηχανισμό αλλαγής ταχυτήτων. Η επικρατέστερη μορφή μηχανικού CVT αποτελείται από έναν χαλύβδινο τραπεζοειδή ιμάντα που συνδέει δύο τροχαλίες μεταβλητής διαμέτρου (Εικόνα 3.29). Η μία από τις δύο τροχαλίες είναι συνδεδεμένη με την έξοδο ισχύος του κινητήρα και η άλλη με τον άξονα μετάδοσης της κίνησης. Η κάθε τροχαλία αποτελείται από δύο δίσκους που αποκλίνουν ή συγκλίνουν με τη βοήθεια ενός υδραυλικού μηχανισμού, μεταβάλλοντας το πλάτος έδρασης του ιμάντα. Με τον τρόπο αυτό, μεταβάλλεται η ακτίνα περιστροφής και επομένως η σχέση μετάδοσης που υπολογίζεται από τον λόγο των δύο διαμέτρων (Sorge, 1996; Srivastava and Haque 2009). Εικόνα 3.29 Αρχή λειτουργίας μηχανικού CVT. 1. Τροχαλία μεταβαλλόμενης διαμέτρου, 2. Κινητήριος άξονας, 3. Κινούμενος άξονας.