Všeobecný úvod do témy prevodovky
Traktor je ako ťažný prostriedok predurčený pre ťažné práce rôzneho druhu. Tie sú charakterizované potrebou vysokého ťažného výkonu pri nízkych pojazdových rýchlostiach, čo zodpovedá agrotechnickým operáciam spracovania pôdy. Traktor je možné agregovať s prostriedkami na prepravu materiálu a daná operácia je potom charakterizovaná vysokými pracovnými rýchlosťami. Všetky potrebné pracovné operácie by maly byť vykonávané s maximálnou možnou efektivitou, teda v požadovanej kvalite a rýchlosti pri zachovaní nízkych nákladov.
Faktorov, ktoré nám budú ovplyvňovať efektivitu tej ktorej operácie je mnoho. Od voľby správnej agregácie strojov, cez voľbu vhodných pneumatík či všeobecne podvozku pre danú činnosť, doťaženia ťažného prostriedku atd. Základným faktorom, ktorý nám bude ovplyvňovať efektivitu danej práce je motor traktora, ten by bol sám o sebe bezvýznamný, pokiaľ by nebol jeho výkon efektívne prenášaný. Aby bylo možné splniť vyššie uvedené požiadavky, je nutné, aby bol výkon generovaný spaľovacím motorom traktora čo možno najlepšie prenesený až na kolesá, pokiaľ sa bavíme o prenose výkonu ťahom nie však cez vývodový hriadeľ.
Pre tento účel sú traktory a všeobecne motorové vozidlá vybavené prevodovkou. Tá nám zabezpečuje prenos výkonu a krútiaceho momentu od motora do rozvodovky a cez koncové prevody až na kolesá traktora. Mimo iné zabezpečuje zmenu veľkosti, teda počtu otáčiek a smeru otáčania (cúvania vozidla) krútiaceho momentu generovaného spaľovacím motorom. Krútiaci moment, ktorým disponuje spaľovací motor, nedosahuje takých hodnôt, aby bola zabezpečená potreba hnacej sily pre prácu traktorovej súpravy.
Zmenou prevodového pomeru (tzv. do pomala), teda zvýšime krútiaci moment nad hodnotu vyššiu, než ktorou disponuje spaľovací motor a vďaka prevodovke môžeme motor prevádzkovať v oblasti, kde dosahuje najvyššiu účinnosť. V prípade, že by spaľovací motor disponoval tzv. ideálnou otáčkovou charakteristikou (zelená krivka na obrázku), teda závislosti krútiaceho momentu na otáčkach, ktorá by mala hyperbolický priebeh, nebolo by nutné zaradiť do hnacieho ústrojenstva prevodovku (to je príklad elektromotora). Pretože je však tento priebeh odlišný, je nutné do hnacieho ústrojenstva medzi motor a kolesá vložiť prevodovku, ktorá nám umožní prostredníctvom zmeny prevodového pomeru lepšie využitie vlastností spaľovacieho motora a tým aj traktora.
Pozrieme sa však na obrázok, vidíme, že pokiaľ by traktor bol vybavený len dvoma prevodovými stupňami (najvyšším a najnižším), dochádzalo by ku vzniku veľkých strát v prenose výkonu, ktorý je reprezentovaný vyšrafovanou oblasťou, čo je stratová plocha daná konečným počtom prevodových stupňov. Jednoducho vysvetlené, pokiaľ by sme ťahali pluh traktorom, ktorého prevodovka by mala len dva prevodové stupne, teda povedzme 1 a 5, došlo by k tomu, že na 1 nevyužijem potenciál výkonu motora a na 5 tento pluh neutiahnem. Toto nám graficky vyjadruje vyšrafovaná plocha na uvedenom obrázku, čo reprezentuje straty. Nedostatočné využitie výkonu traktora by potom malo za následok nedostatočné využitie traktora ako celku a teda plytvanie energiou.
Pokiaľ by však prevodovka disponovala viacerými prevodovými stupňami, strátové plochy sa zmenšia a dôjde k priblíženiu sa ideálnemu rozloženiu hnacej sily, ktorá má hyperbolický priebeh.
V prípade, že by prevodovka disponovala medzi maximálnym a minimálnym prevodovým pomerom teoreticky nekonečným počtom prevodových stupňov, dosiahli by sme hyperbolické rozloženie hnacej sily (žiadne stratové plôšky). Možnosť využívať teoreticky nekonečný počet prevodových stupňov nám ponúkajú prevodovky s plynulou zmenou prevodového pomeru.
Z konstrukčného hľadiska môžeme prevodovky rozdeliť na niekoľko typov, kedy medzi najzákladnejšie zaradíme mechanické prevodovky. Podľa stupňov radených pod zaťažením ich môžeme ďalej rozdeliť na prevodovky, ktoré nemajú žiadny stupeň radený pod zaťažením, omedzený počet stupňov radených pod zaťžením a všetky stupne radené pod zaťažením niekedy označované tiež ako prevodovky Full PowerShift. Prevodovky, ktoré nemajú žiadny stupeň radený pod zaťažením sa používali pri starších traktoroch najmä u nás populárnych traktoroch Zetor rôznych výkonov. V dnešnej dobe sa tento typ prevodoviek používa už v obmedzenej miere predovšetkým pri traktoroch nižšej výkonovej kategórie rádovo do 100 koní, ktoré majú uplatnenie najmä v živočíšnej výrobe alebo pri vykonávaní jednoduchých prác spojených s prevádzkou na farme či v komunálnej sfére.
Typy prevodoviek:
- 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
Naopak podstatne rozšírenou variantou sú mechanické prevodovky s obmezeným počtom prevodových stupňov radených pod zaťažením. Tento typ prevodoviek sa používa naprieč širokým výkonovým spektrom traktorov, a nájdeme ich v traktoroch rádovo okolo 100 hp napríklad New Holland T5 ElectroCommand, až po traktory okolo 200 hp. Posledným typom sú mechanické prevodovky so všetkými stupňami radenými pod zaťažením označované tiež ako Full PowerShift. Tie sa používajú naprieč celým spektrom výkonov traktorov rádovo od 160 hp až po traktory najvyššej výkonovej kategórie teda okolo 600 hp. Tieto prevodovky môžu mať 16 alebo aj viac stupňov radených pod zaťažením. Prípadne môžu mať tieto prevodovky posledný tzv. eco-stupeň, to znamená, že traktor sa pohybuje maximálnou rýchlosťou, teda 40 km/h, pri znížených otáčkach motora, čo šetrí pohonné hmoty a zvyšuje efektivitu pri preprave materiálu.
Dvojspojkové prevodovky
Posledným typom mechanických prevodoviek sú tzv. dvojspojkové prevodovky, ktoré sú známe skôr z osobných automobilov. Tento typ prevodovky ponúka New Holland pod označením Dynamic Command. Jedná sa o prevodovku s troma skupinami a ôsmymi rýchlostnými stupňami radenými elektronicky pod zaťažením. Skupiny sa vzájomne prekrývajú a vďaka tomu je možné zvoliť vhodnú skupinu pre vykonávanie ťažkých ťažných prác, práce s čelným nakladačom alebo prepravu materiálu. Tieto typy prevodoviek sú medzistupňom medzi stupňovitými prevodovkami s viac či menej stupňami radenými pod zaťažením a plynulými hydromechanickými prevodovkami.
V súčasnosti sa využívajú pri traktoroch strednej výkonovej triedy do 180 hp, môžeme však predpokladať, že vzhľadom k jednoduchšej konštrukcii dôjde k rozšíreniu dvojspojkových prevodoviek aj do výkonnejších modelov a budú tvoriť alternatívu k hydromechanickým prevodovkám. Traktory vyššej výkonovej triedy vybavené stupňovitými prevodovkami zatiaľ používajú výhradne prevodovky FullPowerShift, ktoré sú popísané vyššie, avšak poslednou dobou dochádza aj tu ku zmenám ako bude spomenuté ďalej. Nevýhodou všetkých vyššie uvedených prevodoviek je však konečný počet prevodových stupňov, ktorý im neumožňuje adekvátne využitie potenciálu spaľovacieho motora. Aj keď odstupňovanie dnešných prevodoviek je pomerne jemné, hlavne pri nízkych prevodových stupňov, ktoré sa využívajú pre náročné ťažné práce, stále tu budú vznikať „stratové trojuholníky“, ktoré sú popísané vyššie.
Plynulé prevodovky (CVT)
Posledným typom prevodoviek pri traktoroch a z hľadiska vývoja aj najpokrokovejším typom sú prevodovky s plynule meniteľným prevodom (CVT). Môžeme sa stretnúť aj s termínom hydromechanické prevodovky. Je to dané faktom, že základným princípom týchto prevodoviek je spojenie mechanickej vetvy vedenia výkonu s hydrostatickou vetvou. Mechanické vedenie výkonu a krútiaceho momentu dáva prevodovke vyššiu účinnosť a hydrostatická časť zase požadovanú plynulosť. K zlučovaniu oboch vetví výkonu dochádza na zlučovacom planetovom súkolesí, kedy toto „zlučovanie“ môže byť riešené viacerými spôsobmi a záleží, na ktorú časť planetového súkolesia je vedený výkon od motora a kam od hydrostatického prevodníka.
Ako bolo popísané vyššie, prevodovky tejto koncepcie ponúkajú teoreticky nekonečný počet prevodových stupňov a tak sa dokážu priblížiť ideálnemu priebehu hnacej sily v závislosti na rýchlosti, teda hyperbolickému priebehu. Ďalšou výhodou týchto prevodoviek je úspora paliva, kedy prevodovka „aktívne komunikuje“ s motorom a snaží sa ho udržiavať v oblasti maximálneho krútiaceho momentu, teda tam, kde má motor najvyššiu účinnosť a najnižšiu mernú spotrebu paliva. Výhody tejto koncepcie sa prejavia najmä v doprave, kedy je traktor schopný pohybovať sa maximálnou rýchlosťou za znížených otáčok motora, čo už dnes ponúkajú aj niektoré prevodovky radené pod zaťažením, ale stále nie na tak nízkej úrovni. Ďalšou výhodou je okamžitá reakcia na meniace sa zaťaženie, resp. podmienky vykonávanej práce. V neposlednom rade je potrebné spomenúť komfort ovládania, ktoré tieto prevodovky ponúkajú obsluhe. Môžeme to prirovnať k automatickým prevodovkám v osobných automobiloch, je to niečo naviac čo zvyšuje komfort jazdy v prípade traktorov aj pracovných podmienok, naviac pri vhodnom použití môžu mať tieto prevodovky aj značne pozitívny vplyv z hľadiska efektivity pri práci.
Nevýhodou týchto prevodoviek je nižšia účinnosť v porovnaní s mechanickými prevodovkami radenými pod zaťažením. Tento fakt je daný konstrukčným riešením, kedy časť výkonu je vedená hydrostatickou vetvou, ktorá sa vyznačuje nižšou účinnosťou približne o 17 % oproti mechanickému vedeniu výkonu pomocou dvoch ozubených kolies. Nevýhoda je čiastočne eliminovaná použitím viacerých mechanických stupňov v prevodovke radených pod zaťažením a tým pádom vedením menšieho podielu výkonu hydrostatickou vetvou. Preto majú hydromechanické prevodovky 2 a viac mechanicky radených stupňov pod zaťažením doplnených hydrostatickou jednotkou dávajúcu požadovanú plynulosť zmeny prevodového pomeru a obidve vetvy výkonu sa zlučujú na planetovom zlučovacom prevode. Snahou výrobcov je teda mať prevodovku, ktorá má plynule meniteľný prevod, ale zároveň vysokú účinnosť približujúcu sa čisto mechanickým prevodovkám.
Ďalšou nevýhodou sú vyššie výrobné náklady, ktoré následne predražia kúpu celého traktora. Pokiaľ je však traktor vybavený týmto typom prevodovky a riadne využívaný, môžeme túto počiatočnú investíciu jednoducho získať späť v ušetrených nákladoch hlavne na pohonné hmoty. Cez všetky nevýhody, ktoré boli popísané je tento typ prevodoviek stále populárnejší, čo dokazuje aj fakt, že ešte nedávno traktory vybavené hydromechanickými prevodovkami končili na hranici maximálne 300 koní. V dnešnej dobe sú týmto typom prevodoviek vybavené aj tie najvýkonnejšie poľné traktory prekračujúce hranicu 500 koní.
Porovnanie prevodoviek
Pokiaľ by sme chceli vzájomne porovnať mechanickú prevodovku radenú pod zaťažením a plynulú hydromechanickú prevodovku z hľadiska účinnosti, vždy bude mať mechanická prevodovka vyššiu účinnosť z hľadiska prenosu výkonu na kolesá traktora. To, že má mechanická prevodovka vyššiu účinnosť však nie vždy znamená, že bude v daných podmienkach vykazovať lepšie parametre z hľadiska výkonnosti a spotreby paliva.
Pokiaľ by sme napríklad mali rovné pole a homogénne pôdne podmienky, kde pri traktore s mechanickou prevodovkou zaradíme jeden prevodový stupeň a motor traktora sa bude pohybovať v oblasti maximálneho krútiaceho momentu, kedy takto prejde celú dížku poľa bez nutnosti častého radenia, vždy bude mechanická prevodovka lepšia z hľadiska efektivity vykonávania danej práce. Pokiaľ by však prichádzalo k častému kolísaniu ťažného odporu od agregovaného náradia, teda meniace sa pôdne podmienky a kopcovitý terén vyžadujúci časté radenie, bude dochádzať vplyvom daného odstupňovania mechanickej prevodovky ku stratám rýchlosti vplyvom častého preradzovania a tým aj ku stratám z hľadiska výkonnosti, ktoré sú eliminované práve použitím hydromechanickej prevodovky.
Pri veľmi častom radení bude dochádzať taktiež k opotrebovaniu mechanickej prevodovky, kedy pri hydromechanickej je zmena prevodového pomeru realizovaná len náklonom hydrogenerátora či hydromotora, pokiaľ dochádza k výraznejšej zmene rýchlosti tak aj radenia mechanických stupňov, ale nie tak často ako pri mechanickej prevodovke. Dochádza teda ku značne menšiemu opotrebovaniu lamiel pri lamelových spojkách zabezpečujúcich radenie, ako je tomu pri mechanických stupňových prevodovkách. V prípade, že bude traktor jazdiť prevažne v doprave, tak tu jednoznačne vyniknú výhody hydromechanickej prevodovky, ktorá bude z hľadiska spotreby a komfortu na tom vždy lepšie než prevodovka mechanická. Pri vysokých nájazdoch v doprave možno počítať s rýchlou návratnosťou investície do hydromechanickej prevodovky vďaka úspore paliva a nezanedbateľným faktom je aj vyšší komfort obsluhy, ktorý poskytne prevodovka vodičovi.
Hydrostatické prevodovky
Svojim spôsobom "plynulé", sú práve hydrostatické prevodovky. Používajú sa v traktoroch zcela ojedinele a týka sa to skôr kategórie menších traktorov, ktoré sú určené pre špeciálne využitie buď v komunálnej sfére alebo pre ľahké práce. Hydrostatická prevodovka má dva hlavné členy, a to hydromotor a hydrogenerátor, ktorý môže byť ešte spojený s viacstupňovou prevodovkou pre dosiahnutie požadovaného krútiaceho momentu na kolesách. Výhodou týchto prevodoviek je jednoduché ovládanie s jednoduchou zmenou smeru jazdy a veľmi citlivou a plynulou zmenou pojazdovej rýchlosti. Nevýhodu je potom už spomenutá nižšia účinnosť hydrostatického prenosu o cca. 17%. Traktory s týmito prevodovkami sa tak hodia pre ľahké práce v stiesnených priestoroch prípadne tam, kde je nutné plynule ovládať pojazdovú rýchlosť. Bežne práve v komunálnej sfére pri agregácii so zametacími kartáčmi alebo sekacími hlavami alebo priekopovými mulčovačmi.
Na záver môžeme povedať, že hydromechanické prevodovky zaznamenali značný nárast a aj vďaka vývoju bola dosiahnutá vyššia účinnosť, čo z nich robí priamych konkurentov pre prevodovky mechanické radené pod zaťažením. Vždy budú mať o niečo nižšiu účinnosť, ktorá však pri vhodnej agregácii a podmienkach bude prevážená výhodami tejto koncepcie. Plynulé prevodovky sa začínajú hojne presadzovať aj pri traktoroch najvyššej výkonovej kategórie, čo len potvrdzuje progresívny vývoj v tejto oblasti a snahu výrobcov poskytnúť komfort a výhody tejto koncepcie aj v traktorech najvyššej výkonovej kategórie. Novinkou je implementácia hydromechanickej prevodovky do traktorov najvyššej výkonovej kategórie T9. Môžeme teda očakávať, že vývoj v oblasti hydromechanických prevodoviek bude pokračovať a už dnes si môžu farmári zakúpiť aok malý traktor rádovo od 110 koní, tak aj ten z najvyššej výkonovej kategórie vybavený plynulou prevodovkou. To len dokazuje, že výhody týchto prevodoviek prevažujú nad ich nedostatkami a že dopyt po traktoroch s hydromechanickými prevodovkami bude stúpať.