Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Štvorkolesový pohon traktorov

27-09-2017
Na základe dostupných technických informácii a vlastných funkčných schém autorov spracovali: prof. Ing. Anton ŽIKLA, CSc.; Ing. Ján KOSIBA, PhD. | xkosiba@is.uniag.sk
Slovenská poľnohsopdárska univerzita v Nitre

Pred polstoročím bol štvorkolesový pohon doménou terénnych automobilov a traktorov so zalamovacím rámom s tzv. kĺbovým riadením a rovnakými rozmermi predných a zadných kolies. V súčasnosti traktory so štvorkolesovým pohonom majú dominantné postavenie, dokonca štvorkolesový pohon sa stal atraktívny aj na osobných automobiloch. V tejto súvislosti bude iste účelné spomenúť, že pre štvorkolesový pohon automobilov sa zaužívalo označenie 4x4, pre traktory 4K4, v súčasnosti sa prechádza na jednotné označenie 4WD resp. FWD, ktoré je odvodené od začiatočných písmen anglického názvu Four Wheel Drive. Pre štvorkolesový pohon automobilov spravidla každý výrobca používa svoje vlastné označenie napr. Quattro, Synchro, 4matic a ďalšie.

Štvorkolesový pohon má svoje špecifiká

Aj keď štvorkolesový pohon automobilov a traktorov má relatívne veľa spoločného, z konštrukčného hľadiska v tomto smere existujú určité a niekedy podstatné rozdiely. Tieto rozdiely sú podmienené samotnou funkciou traktora ako mobilného energetického prostriedku, určeného predovšetkým k ťahaniu pripojených poľnohospodárskych strojov a náradí. Prvou a snáď najvýznamnejšou zvláštnosťou traktora je rozdielne a v prevádzkových podmienkach značne premenlivé zvislé zaťaženie prednej a zadnej nápravy a teda aj zvislé zaťaženie jednotlivých kolies. Keď napríklad za traktor pripojíme cez zadný trojbodový záves nesené náradie o hmotnosti 3 tony, po zdvihnutí náradia do prepravnej polohy sa zadná náprava dodatočne doťaží o viac než 3 tony, pretože súčasne dôjde k odľahčeniu prednej nápravy traktora. Samozrejme, že k doťaženiu zadnej nápravy a k súčasnému odľahčeniu prednej nápravy dochádza aj pôsobením ťahovej sily, potrebnej na ťahanie pripojeného náradia, ale aj pri jazde samotného traktora do svahu. Napokon k doťaženiu zadnej nápravy dochádza aj pri prudkom rozbehu traktora a pri rýchlom zapnutí spojky a to zvlášť pri vysokých otáčkach motora.

Obr. 1: Uchytenie prídavného závažia na prednom trojbodovom závese John Deere 6250R

Obr. 1: Uchytenie prídavného závažia na prednom trojbodovom závese John Deere 6250R

Obr. 2: Uchytenie prídavného závažia na prednej konzole John Deere 8400R

Obr. 2: Uchytenie prídavného závažia na prednej konzole John Deere 8400R

Vplyvom vyššie uvedených faktorov je dynamický polomer zadných kolies oproti menovitému polomeru niekedy menší aj o viac než 10 centimetrov, čo na obvode kolies predstavuje hodnotu vyše 30 centimetrov. Analogicky pri odľahčení prednej nápravy bude dynamický polomer predných kolies väčší, než menovitý, zodpovedajúci rozmerom pneumatiky.

V súvislosti so štvorkolesovým pohonom je všeobecne známe, že z konštrukčného hľadiska sú  traktory 4K4 so štandardným štvorkolesovým pohonom a s adaptovaným štvorkolesovým pohonom. Ako už bolo v úvode spomenuté, traktory so štandardným štvorkolesovým pohonom majú predné i zadné kolesá rovnakých rozmerov. Ďalšou charakteristickou konštrukčnou zvláštnosťou týchto traktorov je, že motor je vysunutý pred prednú nápravu, za účelom dosiahnutia jej vyššieho statického zaťaženia. Všeobecne platí, že statické zaťaženie prednej nápravy predstavuje cca 70 percent s celkovej tiaže traktora, takže zostávajúcich 30 percent pripadá na zadnú nápravu. Uvedené statické zaťaženie jednotlivých náprav je žiaduce z toho dôvodu, aby sa po pripojení vzadu neseného náradia dosiahlo približne rovnaké dynamické zaťaženie prednej i zadnej nápravy.

Statické a dynamické zaťaženie náprav

Čo sa týka statického i dynamického zaťaženia náprav odlišná situácia je pri traktoroch s adaptovaným štvorkolesovým pohonom. Konštrukcia týchto traktorov je odvodená z pôvodných štvorkolesových traktorov s pohonom zadných kolies (4K2), ktorých statické zaťaženie prednej nápravy predstavuje iba 30 percent z celkovej tiaže traktora a ostávajúcich 70 percent pripadá na zadnú nápravu. Tieto traktory mali už v minulosti umiestnené prídavné závažia v zadných kolesách, zatiaľ čo vpredu spravidla pridávané závažia neboli a v prípade, že boli, tak len za účelom zvýšenia pozdĺžnej stability traktora a zlepšenia smerovej ovládateľnosti, najmä pri práci s neseným náradím. Aby sa po adaptácii štvorkolesového pohonu zabezpečil účinný pohon predných kolies, je potrebné prednú nápravu dodatočne doťažiť a súčasne k tomu použiť aj väčší rozmer predných kolies, samozrejme vzhľadom na únosnosť použitých pneumatík. Za účelom intenzívneho doťaženia prednej nápravy niektoré traktory majú namontované až 3 sady prídavných závaží. V prípade, že je traktor vybavený predným trojbodovým závesom, možno tento výhodne využiť na uchytenie prídavného závažia. Samozrejme, že pri niektorých technologických činnostiach je účelné využiť predný trojbodový záves na uchytenie vpredu neseného náradia a prípadne aj predný vývodový hriadeľ. Napríklad, pri sejbe možno vpredu traktora uchytiť zásobník s osivom. Teda, existuje niekoľko možností, ako v prípade potreby prednú nápravu traktora 4K4 s adaptovaným štvorkolesovým pohonom účelne doťažiť. Totižto pre traktory s adaptovaným štvorkolesovým pohonom platí zásada, že po doťažení prednej nápravy prídavnými závažiami, prípadne čelne neseným náradím, sa má dosiahnuť približne rovnaké statické zaťaženie obidvoch náprav traktora. Prípadné preťaženie predných pneumatík s menším priemerom než zadné možno eliminovať ich nahustením na vyšší tlak, spravidla 2,5 bar, zatiaľ čo tlak hustenia zadných pneumatík zostáva na pôvodnej hodnote 1,5 bar. Pri rovnakom statickom zaťažení obidvoch náprav traktora možno priamym meraním zistiť statické polomery predných a zadných kolies a to odmeraním vzdialenosti medzi geometrickým stredom kolesa a podložkou pri stojacom traktore na rovine. Keď je napríklad statický polomer predných kolies 1,5 m a zadných 2 m, potom je statický polomer zadných kolies 1,33-krát väčší než predných. V tomto prípade za účelom dosiahnutia kinematickej a silovej rovnováhy medzi prednými a zadnými kolesami musí byť celkový prevod medzi motorom a zadnými kolesami 1,33-krát pomalší, ako medzi motorom a prednými kolesami. To prakticky znamená, keď zadné kolesá vykonajú 1 otáčku, predné vykonajú 1,33 otáčky.

Obr. 3: Statické zaťaženie náprav traktora 4K2 s pohonom zadných kolies

Obr. 3: Statické zaťaženie náprav traktora 4K2 s pohonom zadných kolies

Obr. 4: Statické zaťaženie náprav traktora 4K4 s adaptovaným štvorkolesovým pohonom a rozdielnymi rozmermi predných a zadných kolies

Obr. 4: Statické zaťaženie náprav traktora 4K4 s adaptovaným štvorkolesovým pohonom a rozdielnymi rozmermi predných a zadných kolies

Obr. 5: Statické zaťaženie náprav kĺbového traktora 4K4 s rovnakými rozmermi predných a zadných kolies

Obr. 5: Statické zaťaženie náprav kĺbového traktora 4K4 s rovnakými rozmermi predných a zadných kolies

Vznik a cirkulácia parazitného výkonu

Avšak už po zdvihnutí vzadu pripojeného náradia do prepravnej polohy a následnej jazde, bude vplyvom doťaženia, dynamický polomer zadných kolies menší než polomer statický. A naopak, vplyvom odľahčenia prednej nápravy bude dynamický polomer predných kolies väčší, než statický. Vplyvom vyššie uvedených rozdielov medzi dynamickými polomermi bude narušená kinematická a silová rovnováha medzi prednými a zadnými kolesami. Názorne povedané, akoby sa predná náprava snažila zadnú ťahať, takže preklz predných kolies je kladný a zadných záporný, aj keď traktor nie je zaťažený ťahovou silou. V konečnom dôsledku vplyvom vyššie uvedených faktorov, z predných kolies cez podložku na zadné kolesá a z nich cez prevodové ústrojenstvo naspäť na prednej kolesá, cirkuluje tzv. parazitný výkon. Parazitným výkonom motor nie je zaťažovaný, ale sú ním zaťažované jednotlivé členy prevodového ústrojenstva, predovšetkým ozubené kolesá a hriadele, umiestnené medzi prednými a zadnými kolesami. Pri zaťažení traktora ťahovou silou parazitný výkon nevzniká, aj keď v určitých špecifických prípadoch, najmä pri veľmi malej hodnote ťahovej sily, nemožno jeho vznik celkom vylúčiť.

Samozrejme, že parazitný výkon vzniká aj pri traktoroch so štvorkolesovým pohonom a rovnakými menovitými rozmermi predných a zadných kolies, pokiaľ sú ich dynamické polomery rozdielne. Vzhľadom k tomu, že pri týchto traktoroch statické zaťaženie prednej nápravy predstavuje až 70 percent s celkovej tiaže traktora, potom najmä pri podhustení a väčšom opotrebení predných pneumatík, bude dynamický polomer predných kolies menší, než zadných. Potom aj pri jazde samotného traktora, bez pripojeného neseného náradia vznikne parazitný výkon. Tento však bude cirkulovať z predných kolies cez jednotlivé členy prevodového ústrojenstva na zadné kolesá a z nich cez podložku naspäť na predné kolesá. Teda, v opačnom zmysle ako v predchádzajúcom prípade.

Vznik a cirkuláciu parazitného výkonu možno vylúčiť

Najjednoduchší spôsob ako zabrániť vzniku a cirkulácii parazitného výkonu je vypnúť pohon jednej, spravidla prednej nápravy zubovou spojkou, pokiaľ je pohon prednej nápravy touto spojkou vybavený. Je známe aj iné konštrukčné riešenie, ktoré principiálne spočíva v zaradení voľnobežnej spojky (tzv. voľnobežky) do pohonu prednej nápravy. V tomto prípade je však prevod na prednú nápravu cca o 5 až 8 percent pomalší, než na zadnú nápravu. To znamená, že predný pohon sa aktivuje cez voľnobežnú spojku samočinne až vtedy, keď preklz zadných kolies dosiahne hodnotu 5 ž 8 percent. Atraktívne riešenie pohonu prednej nápravy cez diferenciálny prevod sa používa na vysokovýkonných traktoroch FENDT 1000 Vario.

Pre úplnosť bude iste účelné spomenúť, že na nákladných automobiloch s pohonom štyroch a viac kolies sa za účelom vylúčenia vzniku a cirkulácie parazitného výkonu používa tzv. medzinápravový diferenciál. Dnes už v podstate historický štvornápravový nákladný automobil TATRA 815 s pohon všetkých kolies (8x8), je vybavený siedmimi diferenciálmi. Medzi druhou a treťou nápravou je umiestnený hlavný medzinápravový diferenciál, tzv. delič momentu, ďalej medzi prvou a druhou a medzi treťou a štvrtou nápravou je tiež medzinápravový diferenciál a napokon každá náprava je vybavená nápravovým diferenciálom. Osobné automobily so štvorkolesovým pohonom sú v súčasnosti namiesto medzinápravového diferenciálu vybavené tzv. viskóznou spojkou.

V každom prípade vznik a cirkulácia parazitného výkonu spôsobuje nežiaduci preklz hnacích kolies a následne zvýšené opotrebenie pneumatík, hlavne pri jazde po cestách so spevneným povrchom. Z tohto dôvodu sa vyvíjajú stále nové konštrukčné riešenia štvorkolesového pohonu, s konečným cieľom zabrániť vyššie uvedenému stavu.