ЕЛ МЕДИА - направление СЕЛСКО СТОПАНСТВО ЕЛ МЕДИА - направление ЕНЕРГИЯ
ЕЛ МЕДИА - направление ИНДУСТРИЯ

ИНФРАБИЛД - Строители списание за инфраструктурно строителствогодина VIII, брой 4, 2014

CVT Безстепенни предавателни кутии за строителни машини

Производството на строителни машини все повече се фокусира върху икономията на гориво, комфорта и безопасността на оператора и опазването на околната среда. В резултат на високите технически и функционални потребности сложността на задвижващите и трансмисионни системи се увеличава. Необходимостта от плавен и постоянно променящ се въртящ момент спрямо натоварването е иновационно предизвикателство, което се приема от конструкторите и производителите, и се реализира чрез CVT (от англ. „Continuous Variable Transmission”) безстепенни предавателни кутии. Цялата задвижваща система от двигателя до колелата се разглежда като интегрална система с централно управление без интервенция от страна на потребителя, която осигурява оптимален работен режим във всяка ситуация на движение.

CVT безстепенните предавателни кутии за строителни машини се монтират предимно на челни товарачи и телескопични повдигачи. Тези машини се характеризират с големи натоварвания при ниски скорости в комбинация с голяма динамика. CVT осигуряват тези по-ниски скорости на двигателя и неговата стабилна работа чрез концепцията за постоянна скорост по време на пълненето на кофата на товарача, транспортирането и разтоварването. Операторите на тези машини не боравят със съединител и не превключват предавки. Така те имат възможност да се концентрират върху работния процес и да извършват необходимите дейности при по-висок комфорт за по-кратко време и с намалена консумация на гориво. Поради това инсталирането на CVT безстепенни предавателни кутии представлява огромна крачка към бъдещото развитие на производството на строителни машини.

Видове CVT безстепенни предавателни кутии
Във всички традиционни предавателни кутии въртящият момент от двигателя към колелата се предава посредством зъбни колела като са налични различни предавателни отношения за отделните предавки. При един от видовете CVT безстепенни предавателни кутии тази функция се изпълнява от гъвкав гумен или стоманен V-образен ремък, който предава въртящия момент от задвижващата се от двигателя ос към задвижваната ос посредством две двойки конусовидни ремъчни шайби с противоположно ориентирани повърхности. При по-новите разработки ремъкът се заменя с пластична верига. Принципът на действие се основава на факта, че когато едната ремъчна шайба увеличава своя радиус, другата го намалява и по този начин ремъкът или веригата са винаги опънати. Тъй като двете конусовидни ремъчни шайби променят своите радиуси една спрямо друга, те създават неограничен брой предавателни отношения за ниски и високи предавки.

Друг вид CVT безстепенни предавателни кутии са тороидалните. При тях конусовидните ремъчни шайби са заменени с дискове, а ремъците или веригите – с ролки. Единият диск се свързва към двигателя, а другият диск - към задвижвания вал. Ролките са разположени между дисковете и предават движението от единия към другия диск. Те се въртят около хоризонталната си ос и се накланят навътре или навън около вертикалната си ос като по този начин се допират до дисковете на различни места и така се получават различни предавателни отношения като задвижваният диск намалява своята скорост и увеличава своя въртящ момент и обратно – увеличава своята скорост и намалява своя въртящ момент.

Както CVT безстепенните предавателни кутии с конусовидни шайби и V-образни ремъци, така и тороидалните, са примери за фрикционни CVT, работещи като се променя радиусът в точката на контакт между два въртящи се обекта. Съществува и друг вид безстепенна предавателна кутия, известна като хидростатична CVT. При нея се използва помпа с променлив дебит, променяща флуидния поток през хидростатичен мотор. Ротационното движение на двигателя задвижва хидростатичната помпа на задвижващата страна. Помпата преобразува ротационното движение във флуиден поток. След това чрез хидростатичен мотор на задвижваната страна флуидният поток се преобразува отново в ротационно движение. Често хидростатичната безстепенна предавателна кутия се комбинира с планетни зъбни колела и съединители, като мощността от двигателя се разделя и след това отново се събира. Така се създава хибридна система, известна като хидромеханична безстепенна предавателна кутия. Хидромеханичните безстепенни предавателни кутии предават мощността от двигателя към колелата в три различни режима. При ниска скорост мощността се предава хидравлично, а при висока скорост – механично. Между тях предаването на мощност се осъществява по хидравличен и механичен начин. Електронно управляващо устройство непрекъснато определя оптималния скоростен обхват и най-подходящата скорост на въртене на двигателя. Всички важни параметри като скорост на двигателя, положение на педала за газта, скоростта на движение, хидростатичното налягане и др. се визуализират на дисплей и се записват. Хидромеханичните CVT безстепенни предавателни кутии са много подходящи за тежки режими на експлоатация и затова намират приложение в трансмисионните системи на челни товарачи и телескопични повдигачи.

Предимства на CVT безстепенни предавателни кутии
CVT Безстепенните предавателни кутии имат много предимства. Чрез тях се постигат постоянно променящи се предавателни отношения в зависимост от натоварването, осигуряващи постоянна работа на двигателя в оптимален режим. Така се подобрява икономичността на двигателя и се отделят по-малко вредни вещества в атмосферата, водещи до по-слабо замърсяване на околната среда. Освен това, мощността към двигателните колела се предава безударно и без прекъсване в сравнение с традиционните предавателни кутии. Осигурява се безопасно и комфортно управление на машините без операторът да отвлича вниманието си от работната обстановка за ръчно превключване на предавките. Загубите на мощност при безстепенните предавателни кутии са по-малки kато се постига по-висока ефективност.

CVT решения на различни компании
Челният товарач 966K XE на Caterpillar притежава интегрирана CVT безстепенна предавателна кутия, която води до намаление с около 25% на консумацията на гориво в сравнение със стандартния модел 966K. Работата на трансмисията е автоматизирана и прозрачна за оператора. Машината е добре балансирана и лесна за управление при изключително ниски скорости на двигателя, предоставяйки оптимална продуктивност. Работата е опростена като се използват само два педала и се предоставят оптимални технически характеристики при всички скорости. Операторът е свободен да се концентрира върху пълненето на кофата, придвижването и разтоварването без да има нужда от ръчно превключване на предавките. Той може сигурно да използва машината, докато интегралното управление на мощността предотвратява превишаването на скоростта на двигателя и прави почти невъзможно неговото спиране при копаене. Хидравличната помпа и моторът формират вариаторен възел, който осигурява плавна и непрекъсната промяна на предавателното отношение между скоростта на двигателя и скоростта на машината. Вариаторът намалява значително топлинното натоварване на задвижващата система по време на загребване, изкачване с пълна кофа и товарене като двигателят работи по-ефективно. Мощността се предава чрез вариаторния възел, както и чрез паралелна механична предавка. Използвайки планетни зъбни колела, се получава максимална предавателна ефективност за голям обхват от работни условия. 966K XE e оборудван с C9.3 ACERT дизелов двигател с максимална нетна мощност от 299HP при 1700rpm. Използваните кофи за този челен товарач могат да бъдат с капацитет от 2.50m3 до 9.20m3, а оперативното тегло на машината е 24189kg. 966K XE има комфортна операторска кабина с прозорци отляво и отдясно, които могат да се отварят при седнало положение на оператора. Стандартната задна камера с голям цветен монитор подобрява видимостта към задната част на машината. Управляващата система с електрохидравличен джойстик позволява на оператора да работи в най-ергономична позиция като двете му ръце са сложени удобно върху широки, меки и настройваеми подлакътници. Седалката е с висока облегалка и с лумбална опора. Двигателят работи с ефективни скорости, водещи до по-икономична работа и по-дълъг експлоатационен период. Caterpillar монтира CVT безстепенни предавателни кутии и на следващите си модели челни товарачи 966M XE и 972M XE.

Челният товарач L586 на Liebherr e оборудван с CVT безстепенна хидростатично-механична предавателна кутия. Мощността на дизеловия двигател се разделя на две части, които след това се обединяват, намалявайки енергийните трансмисионни загуби, и повишавайки ефективността. Чрез електронна система за управление се постига допълнително намаляване на загубите. Тази система осигурява избор на най-подходящото предавателно отношение и дава възможност на двигателя да работи с по-ниска скорост, което от своя страна води до минимизиране на консумацията на гориво. Комбинираният ефект на двете части на трансмисията допринася за оптимизиране на техническите характеристики на машината през всички фази на работния процес. Когато се управлява с бавна скорост или когато загребва материал, челният товарач се задвижва посредством хидростатичната трансмисия. При увеличаване на скоростта или по време на продължителни работни цикли частта на мощността, която се предава механично, се увеличава. Ниските вътрешни загуби в механичното задвижване са ключ към постигане на висока ефективност. Безстепенната предавателна кутия има същия функционален принцип при движение напред и назад като оптималната скорост и нивото на ефективност са идентични и в двете посоки. С тази нова концепция, която ще бъде приложена за пълната гама от тежки челни товарачи, Liebherr комбинира вече доказаната хидростатична трансмисия с ефективността на механичното задвижване като се използва по-малко гориво за манипулиране на не по-малко големи товари. На практика L586 консумира около 25% по-малко гориво в сравнение с машините от същия клас при същите работни условия. Теглителната сила и скорост се адаптират автоматично, за да отговорят на потребностите, без да има необходимост от ръчно превключване на предавките. Дори смяната на посоката на движение от преден към заден ход се управлява хидравлично, така че не се изисква механична предавка за движение назад. Мощността на двигателя е 340HP, оперативното тегло е 31380kg, a капацитетът на използваните кофи е от 5.5m3 до 11m3.

CVT безстепенната предавателна кутия 2HC 85 на компанията ZF e с компактен, модулен дизайн и интегрирани задвижващи механизми и сензори. Тя е предназначена за строителни машини до 10t и осигурява безстепенно превключване за скорости до 50km/h. Двата радиално-бутални мотора с колянов вал са интегрална част от задвижването и предоставят повишена ефективност. Компактните off-road машини се използват там, където големите машини нямат достъп поради своите размери. В допълнение към добре известните изисквания на пазара за по-компактни задвижващи системи с редуцирани нива на шума, съществува увеличен интерес и към намаляване на консумацията на гориво. Същевременно, скоростта на строителните машини трябва да бъде увеличена. 2HC 85 отговаря на тези изисквания. Маневрирането с висока прецизност при товарене и разтоварване също играе ключова роля. Това е възможно при пълна теглителна сила за целия скоростен обхват. Чрез хода на педала на газта се осъществява точно позициониране на машината като се избира желания начин на управление. Преимуществата на 2HC 85 включват и повишен комфорт при движение без превключване на предавки и липса на прекъсване в задвижването. Електронното управление осигурява ниска начална скорост, а сензорното контролиране на натоварването предоставя оптимизирана скорост на движение. Към повишената ефективност и намалената консумация на гориво, осигурени от радиално-буталните мотори с колянов вал, се добавя и редуцирането на шума чрез по-ниски скорости на хидростатичните мотори. Налична е и повишена степен на свобода при конструирането на машините, благодарение на много компактния дизайн. Интегрирането на хидростатичните мотори в трансмисионната система намалява броя на външните маркучи и клапани и води до редуциране на интерфейсите към машината. Цялостната задвижваща система – трансмисия, оси и управление, е от един източник. В сравнение с други решения за хидростатични задвижвания с аксиално-бутални мотори, радиално-буталните мотори, инсталирани от ZF, осигуряват по-малко пропуски благодарение на буталните уплътнения. Буталата се направляват в пивотни цилиндри и поради това не са подложени на напречни сили. Безстепенната предавателна кутия може да се монтира директно върху ZF моста или отделно на шасито.

Dana Holding Corporation е друг производител на хидростатични CVT безстепенни предавателни кутии. Системата Spicer 318 се характеризира с двумоторен дизайн, който осигурява икономии на гориво до 20% както при работни режими, изискващи по-високи скорости, така и при по-ниски скорости с увеличена теглителна сила. Тази безстепенна предавателна кутия е предназначена за челни товарачи с оперативно тегло от 6t до 9t и телескопични повдигачи за товари от 6t до 10t. Spicer 318 представлява част от цялостна задвижваща система за телескопични повдигачи, която включва също планетен управляващ мост Spicer 212 и задвижващи валове Spicer 10.

Компаниите Bosch Rexroth и Dana Holding Corporation започват съвместно сътрудничество за разработване на нови, иновативни решения за задвижващи системи. Първият продукт на Dana Rexroth Transmission Systems e хидромеханичната безстепенна предавателна кутия R3, предлагаща икономии на гориво до 20%. Тя е предназначена за челни товарачи, грейдери и други off-road приложения с мощност до 355HP.