Obecný úvod do tématu PŘEVODOVKY
Traktor je jakožto tažný prostředek předurčen pro tahové práce různého druhu. Ty jsou charakterizovány potřebou vysokého tahového výkonu při nízkých pojezdových rychlostech, což odpovídá agrotechnickým operacím zpracování půdy. Nebo lze traktor agregovat s prostředky pro přepravu materiálu a daná operace je pak charakterizována vysokými pracovními rychlostmi. Veškeré pracovní operace by měly být prováděny s maximální možnou efektivitou, tedy v požadované kvalitě a rychlosti při zachování nízkých nákladů.
Faktorů, které nám budou ovlivňovat efektivitu provádění dané operace je mnoho, od volby správné agregace strojů, přes volbu vhodných pneumatik či obecně podvozku pro danou činnost, dotížení tažného prostředku atd. Základním faktorem, který nám bude ovlivňovat efektivitu dané práce je motor traktoru, ten by byl sám o sobě bezvýznamný, pokud by nebyl jeho výkon efektivně přenášen. Aby tedy bylo možné splnit výše zmíněné požadavky, je nutné, aby byl výkon generovaný spalovacím motorem traktoru co možná nejlépe přenesen až na kola, pokud se bavíme o přenosu výkonu tahem nikoliv přes vývodový hřídel.
Pro tento účel jsou traktory a obecně motorová vozidla vybaveny převodovkou. Ta nám zajišťuje přenos výkonu a točivého momentu od motoru do rozvodovky a přes koncové převody až na kola traktoru. Mimo jiné zajišťuje změnu velikosti, tedy počtu otáček a smyslu otáčení (míněno zpětného stupně a couvání vozidla) točivého momentu generovaného spalovacím motorem. Točivý moment, kterým disponuje spalovací motor, nedosahuje takových hodnot, aby byla zabezpečena potřeba hnací síly pro práci traktorové soupravy.
Změnou převodového poměru (tzv. do pomala), tedy zvýšíme točivý moment nad hodnotu vyšší, než kterou disponuje spalovací motor a díky převodovce lze motor provozovat v oblasti, kde dosahuje nejvyšší účinnosti. V případě, že by spalovací motor disponoval tzv. ideální otáčkovou charakteristikou (zelená křivka na obrázku níže), tedy závislostí točivého momentu na otáčkách, která by měla hyperbolický průběh, nebylo by nutné zařazovat do hnacího ústrojí převodovku (to je příklad elektromotoru). Protože je však tento průběh odlišný, je nutné do hnacího ústrojí mezi motor a kola vřadit převodovku, která nám umožní prostřednictvím změny převodového poměru lepší využití vlastností spalovacího motoru a tím i traktoru.
Podíváme-li se na obrázek výše, vidíme, že pokud by traktor byl vybaven pouze dvěma převodovými stupni (nejvyšším a nejnižším), docházelo by ke vzniku velkých ztrát v přenosu výkonu, který je reprezentován vyšrafovanou oblastí, což je ztrátová plocha daná konečným počtem převodových stupňů. Jednoduše vysvětleno, pokud bych táhl pluh traktorem, jehož převodovka by měla pouze dva převodové stupně, tedy řekněme 1 a 5, došlo by k tomu, že na 1 nevyužiji potenciál výkonu motoru a na 5 dané nářadí neutáhnu. Toto nám graficky vyjadřuje vyšrafovaná plocha ve výše uvedeném obrázku, jež reprezentuje ztráty. Nedostatečné využití výkonu traktoru by pak mělo za následek nedostatečné využití traktoru jako celku a tedy maření energie.
Pokud by však převodovka disponovala více převodovými stupni, ztrátové plochy se zmenší a dojde k přiblížení se ideálnímu rozložení hnací síly, jež má hyperbolický průběh.
V případě, že by převodovka disponovala mezi maximálním a minimálním převodovým poměrem teoreticky nekonečným počtem převodových stupňů, bylo by dosaženo hyperbolického rozložení hnací síly (žádné ztrátové plošky). Možnost využívat teoreticky nekonečný počet převodových stupňů nám nabízejí převodovky s plynulou změnou převodového poměru.
Z konstrukčního hlediska můžeme převodovky rozdělit na několik typů, kdy mezi nejzákladnější lze zařadit mechanické převodovky. Podle stupňů řazených pod zatížením je lze dále rozdělit na
převodovky nemající žádný stupeň řazen pod zatížením, omezený počet stupňů řazených pod zatížením a všechny stupně řazené pod zatížením někdy označované také jako převodovky Full PowerShift. Převodovky nemající žádný stupeň řazený pod zatížením se používaly u starších traktorů zejména pak u nás populárních traktorů Zetor různých výkonů. V dnešní době se tento typ převodovek používá již v omezené míře především pak u traktorů nižší výkonové kategorie řádově do 100 koní, které naleznou uplatnění zejména v živočišné výrobě nebo při vykonávání jednodušších prací spojených s provozem na farmě či v komunální sféře.
Typy převodovek:
- Mechanické, bez řazení pod zatížením
- Mechanické, částečně řazené pod zatížením (Semi Power Shift)
- Mechanické, řazené pod zatížením v celém rozsahu (Full Power Shift)
- Mechanické převodovky dvou spojkové (Double clutch)
- Převodovky s plynulou změnou převodového poměru (CVT)
- Hydrostatické převodovky
Přehled převodovek v traktorech New Holland
Naopak
značně rozšířenou variantou jsou mechanické převodovky s omezeným počtem převodových stupňů řazených pod zatížením. Tento typ převodovek se používá napříč širokým výkonovým spektrem traktorů, kdy je najdeme u traktorů řádově kolem 100 hp například New Holland T5 ElectroCommand, až po traktory kolem 200 hp. Posledním typem jsou mechanické převodovky se všemi stupni řazenými pod zatížením označované také jaké Full PowerShift. Ty se používají napříč celým spektrem výkonů traktorů řádově od 160 hp až po traktory nejvyšší výkonové kategorie tedy řádově kolem 600 hp. Tyto převodovky mohou mít 16 nebo i více stupňů řazených pod zatížením. Případně mohou mít tyto převodovky poslední tzv. eco-stupeň, to znamená, že traktor se pohybuje maximální rychlostí, tedy 40 km/h, při snížených otáčkách motoru, což šetří pohonné hmoty a zvyšuje efektivitu při přepravě materiálu.
Dvouspojkové převodovky
Posledním typem mechanických převodovek jsou tzv. dvojspojkové převodovky, které jsou známé spíše z osobních automobilů. Tento typ převodovky nabízí New Holland pod označením Dynamic Command. Jedná se o převodovku se třemi skupinami a osmi rychlostními stupni řazenými elektronicky pod zatížením. Skupiny se vzájemně překrývají a díky tomu je možné zvolit vhodnou skupinu pro provádění těžkých tahových prací, práci s čelním nakladačem nebo přepravu materiálu. Tyto typy převodovek jsou jakýmsi vyplněním mezery mezi stupňovitými převodovkami s více či méně stupni řazenými pod zatížením a plynulými hydromechanickými převodovkami.
V současné době se využívají u traktorů střední výkonové třídy do 180 hp, lze však předpokládat, že vzhledem k jednodušší konstrukci
dojde k rozšíření dvouspojkových převodovek i do výkonnějších modelů a budou tvořit jakousi alternativu k hydromechanickým převodovkám. Traktory vyšší výkonové třídy vybavené stupňovitými převodovkami zatím používají výhradně převodovky FullPowerShift, které jsou popsány výše, avšak poslední dobou dochází i zde ke změnám jak bude popsáno dále. Nevýhodou všech výše zmíněných převodovek je však konečný počet převodových stupňů, který jim neumožňuje adekvátní využití potenciálu spalovacího motoru. I když odstupňování dnešních převodovek je poměrně jemné, zejména pak pro nízké převodové stupně, které se využívají pro náročné tahové práce, pořád zde budou vznikat „ztrátové trojúhleníčky“, které jsou popsány výše.
Plynulé převodovky (CVT)
Posledním typem převodovek u traktorů a z hlediska vývoje i nejpokrokovějším typem jsou převodovky s plynule měnitelným převodem (CVT). Lze se setkat i s termínem hydromechanické převodovky, je to dáno faktem, že základním principem těchto převodovek je spojení mechanické větve vedení výkonu s hydrostatickou větví. Mechanické vedení výkonu a točivého momentu dává převodovce vyšší účinnost a hydrostatická část zase onu plynulost. Ke slučování obou větví výkonu dochází na slučovacím planetovém soukolí, kdy toto „slučování“ může být řešeno vícero způsoby a záleží, na kterou část planetového soukolí je veden výkon od motoru a kam od hydrostatického převodníku.
Jak bylo popsáno výše, převodovky této koncepce nabízejí teoreticky nekonečný počet převodových stupňů a tak se dokáží přiblížit ideálnímu průběhu hnací síly v závislosti na rychlosti, tedy hyperbolickému průběhu. Další výhodou těchto převodovek je úspora paliva, kdy převodovka „aktivně komunikuje“ s motorem a snaží se ho udržovat v oblasti maximálního točivého momentu, tedy tam, kde má motor nejvyšší účinnost a nejnižší měrnou spotřebu paliva. Výhody této koncepce se projeví zejména v dopravě, kdy je traktor schopen se pohybovat maximální rychlostí za snížených otáček motoru, což už dneska nabízejí i některé převodovky řazené pod zatížením, ale pořád ne na tak nízké úrovni. Další výhodou je okamžitá reakce na měnící se zatížení, respektive podmínky prováděné práce. V neposlední řadě je potřeba zmínit komfort ovládání, které tyto převodovky nabízejí obsluze. Lze to přirovnat k automatickým převodovkám v osobních automobilech, je to něco navíc co zvyšuje komfort jízdy v případě traktorů pak pracovní podmínky, navíc při vhodném použití mohou mít tyto převodovky i značně pozitivní vliv z hlediska efektivity prováděné práce.
Nevýhodou těchto převodovek je nižší účinnost v porovnání s mechanickými převodovkami řazenými pod zatížením.
Tento fakt je dán konstrukčním řešením, kdy část výkonu je vedena hydrostatickou větví, jež se vyznačuje nižší účinností přibližně o 17 % oproti mechanickému vedení výkonu stykem dvou ozubených kol. Nevýhoda je částečně eliminována použitím vícero mechanických stupňů v převodovce řazených pod zatížením a tím pádem vedení menšího podílu výkonu hydrostatickou větví. Proto mají hydromechanické převodovky 2 a více mechanicky řazených stupňů pod zatížením doplněných hydrostatickou jednotkou dávající onu plynulost změny převodového poměru a obě větve výkonu se slučují na planetovém slučovacím převodu.
Snahou výrobců je tedy mít převodovku, která má plynule měnitelný převod, ale zároveň vysokou účinnost přibližující se čistě mechanickým převodovkám.
Další nevýhodou jsou vyšší výrobní náklady, které následně prodraží i koupi celého traktoru. Pokud je však traktor vybavený tímto typem převodovky řádně využíván, lze tuto počáteční investici snadno získat zpět v ušetřených nákladech zejména na pohonné hmoty. Přes veškeré nevýhody, jež byly popsány je tento typ převodovek stále populárnější, což dokládá i fakt, že ještě nedávno traktory vybavené hydromechanickými převodovkami končily na hranici maximálně 300 koní. V dnešní době jsou tímto typem převodovek vybaveny i ty nejvýkonnější polní traktory překračující hranici 500 koní.
Porovnání převodovek
Pokud bychom tedy chtěli vzájemně porovnat mechanickou převodovku řazenou pod zatížením a plynulou hydromechanickou převodovku z hlediska účinnosti, vždy bude mít mechanická převodovka vyšší účinnost z hlediska přenosu výkonu na kola traktoru. To že má mechanická převodovka vyšší účinnost však ne vždy znamená, že bude v daných podmínkách vykazovat lepší parametry z hlediska výkonnosti a spotřeby paliva.
Pokud bychom například měli rovné pole a homogenní půdní podmínky, kdy u traktoru s mechanickou převodovkou zařadíme jeden převodový stupeň a motor traktoru se bude pohybovat v oblasti maximálního točivého momentu, kdy tak přejede celou délku pole bez nutnosti častého řazení, vždy bude mechanická převodovka lepší z hlediska efektivity provádění dané práce. Pokud by však docházelo k častému kolísání tahového odporu od agregovaného nářadí, tedy měnící se půdní podmínky a kopcovitý terén vyžadující časté řazení, bude docházet vlivem daného odstupňování mechanické převodovky ke ztrátám rychlosti vlivem častého přeřazování a tím i ke ztrátám z hlediska výkonnosti, které jsou eliminovány právě použitím hydromechanické převodovky.
Při velmi častém řazení bude docházet také k opotřebení mechanické převodovky, kdy u hydromechanické je změna převodového poměru realizována pouze náklonem hydrogenerátoru či hydromotoru, pokud dochází k výraznější změně rychlosti tak i řazení mechanických stupňů, ale ne tak často jako u mechanické převodovky. Dochází tedy ke značně menšímu opotřebovávání lamel u lamelových spojek zajišťujících řazení, jako je tomu u mechanických stupňovitých převodovek. V případě, že bude traktor jezdit převážně v dopravě, tak zde jednoznačně vyniknou výhody hydromechanické převodovky, která bude z hlediska spotřeby a komfortu na tom vždy lépe než převodovka mechanická. Při vysokých nájezdech v dopravě lze počítat s rychlou návratností investice do hydromechanické převodovky díky úspoře paliva a nezanedbatelným faktem je i vyšší komfort obsluhy, který bude převodovka řidiči poskytovat.
Hydrostatické převodovky
Svým způsobem "plynulé", jsou také hydrostatické převodovky. Používají se u traktorů zcela ojediněle a týká se to spíše kategorie menších traktorů, jež jsou určeny pro speciální využití buď v komunální sféře nebo pro lehké práce. Hydrostatická převodovka má dva hlavní členy, a to hydromotor a hydrogenerátor, který může být ještě spojen s vícestupňovou převodovkou pro dosažení požadovaného točivého momentu na kolech. Výhodou těchto převodovek je jednoduché ovládání se snadnou změnou směru jízdy a velice citlivou a plynulou změnou pojezdové rychlosti. Nevýhodu je pak již zmíněná nižší účinnost hydrostatického přenosu o cca 17%. Traktory s těmito převodovkami se tak hodí pro lehké práce ve stísněných prostorech případně tam, kde je nutné plynule ovládat pojezdovou rychlost. Běžně právě v komunální sféře při agregaci se zametacími kartáči či sekacímí hlavami nebo příkopovými mulčovači.
Závěrem lze říci, že hydromechanické převodovky zaznamenaly značný růst a i díky vývoji bylo dosaženo vyšší účinnosti, což z nich dělá přímé konkurenty pro převodovky mechanické řazené pod zatížením. Vždy budou mít o něco nižší účinnost, která však při vhodné agregaci a podmínkách bude převážena výhodami této koncepce. Plynulé převodovky se začínají hojně prosazovat i u traktorů nejvyšší výkonové kategorie, což jenom potvrzuje progresivní vývoj v této oblasti a snahu výrobců poskytnout komfort a výhody této koncepce i v traktorech nejvyšší výkonové kategorie. Novinkou je implementace hydromechanické převodovky do traktorů nejvyšší výkonové kategorie T9. Lze tedy očekávat, že vývoj v oblasti hydromechanických převodovek bude pokračovat a již dnes si mohou farmáři zakoupit jak malý traktor řádově od 110 koní, tak i ten z nejvyšší výkonové kategorie vybavený plynulou převodovkou. To jen dokazuje, že výhody těchto převodovek převažují nad jejich nedostatky a lze předpokládat, že poptávka po traktorech s hydromechanickými převodovkami bude stoupat.
Přehled převodovek v traktorech New Holland