Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Stroje a zariadenia / Rôzne

Na začiatku vývoja bol brzdený diferenciál

23-11-2021
prof. Ing. Anton Žikla, CSc.; doc. Ing. Ján Kosiba, PhD. | jan.kosiba@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Princíp smerového riadenia pásových traktorov sa zásadne odlišuje od riadenia kolesových traktorov, čo je spôsobené samotnou konštrukciou pásového podvozku. Smerové riadenie kolesových traktorov sa spravidla uskutočňuje vytočením predných riadiacich kolies do požadovaného smeru jazdy. Niekedy pri otáčaní traktorovej súpravy na úvratiach sa za účelom zmenšenia polomeru otáčania súčasne s vytočením predných riadiacich kolies pribrzďuje aj jedno zadné koleso traktora. Výnimku v tomto smere tvoria kolesové traktory s kĺbovým zalamovacím rámom. Princíp smerového riadenia klasických pásových traktorov spočíva v znížení rýchlosti jedného pásu, prípadne v jeho úplnom zastavení. To platí bez ohľadu na konštrukciu pásového podvozku, teda je úplne jedno, či sa jedná o podvozok tuhý polotuhý alebo nezávisle odpružený. Tak ako kolesové, tak aj pásové traktory s kĺbovým zalamovacím rámom používajú rovnaký tzv. kĺbový systém smerového riadenia, typickým príkladom je pásový traktor CASE IH STEIGER STX440, známy pod názvom „Quadtrac“.

Stratové a bezstratové smerové riadenie

Systémy a mechanizmy smerového riadenia pásových traktorov prešli dlhodobým vývojom, pričom snaha konštruktérov bola zameraná predovšetkým na zníženie stratového výkonu pri smerovom riadení. Takže mechanizmy smerového riadenia pásových traktorov možno z hľadiska strát vznikajúcich pri smerovom riadení rozdeliť do dvoch skupín:

  • mechanizmy so stratovým smerovým riadením,
  • mechanizmy s bezstratovým smerovým riadením.

V minulosti sa na pásových traktoroch väčšinou používali stratové smerové mechanizmy, pretože sú konštrukčne pomerne jednoduché. Stratovosť smerového riadenia sa prejavuje tým, že pri riadení sa časť výkonu mení na teplo v smerových spojkách a brzdách. Straty výkonu sú pri miernej zmene smeru jazdy pomerne malé, avšak pri malých polomeroch zatáčania dosahujú značné hodnoty, čo sa prejavuje aj znížením otáčok motora. V niektorých prípadoch sa aj stratové smerové mechanizmy správajú ako bezstratové, napr. smerové spojky pri úplnom vypnutí a bez použitia smerovej brzdy. Taktiež niektoré planetové smerové mechanizmy sú v určitých režimoch svojej činnosti bezstratové, aj keď sú považované za stratové a to len preto, že existuje u nich možnosť stratového riadenia.

Bezstratové smerové mechanizmy nazývané tiež „regeneratívne“ sa používali už dávnejšie na vojenských pásových vozidlách. Princíp činnosti týchto mechanizmov spočíva v tom, že brzdiaci moment na vnútornom páse sa prenáša na vonkajší pás, kde pôsobí ako hnací moment. Z konštrukčného hľadiska sa jedná o pomerne zložité mechanizmy, v dôsledku čoho v minulosti nenašli širšie uplatnenie v bežnej praxi.

Silové a kinematické smerové riadenie

Smerové riadenie pásových traktorov je dané silovými a kinematickými pomermi na pásoch. V každom prípade pri zmene smeru jazdy sú rozdielne rýchlosti jednotlivých pásov a to bez ohľadu na použitý mechanizmus smerového riadenia. Silové a kinematické pomery na pásoch sa navzájom podmieňujú a sú na sebe závislé. Potom z hľadiska silových a kinematických pomerov na pásoch rozlišujeme dva spôsoby smerového riadenia pásových traktorov:

  • silové smerové riadenie,
  • kinematické smerové riadenie.

Silové smerové riadenie je charakteristické tým, že najskôr sa prostredníctvom smerového mechanizmu vnútorný pás pribrzdí, čím sa zníži hnacia sila a následne aj rýchlosť vnútorného pásu.

Pri kinematickom smerovom riadení prebieha tento proces opačne. To znamená, že najskôr sa prostredníctvom smerového mechanizmu zníži rýchlosť vnútorného pásu a následne aj hnacia sila.

Jednoduchý brzdený diferenciál

Jednoduchý brzdený diferenciál (Obr. 1) predstavuje najstarší smerový riadiaci mechanizmus pásových traktorov. Použitím pásovej brzdy B1 alebo B2 sa pribrzďuje jedno planetové koleso, čím sa zníži hnacia sila na príslušnom páse a následne aj rýchlosť tohto pásu. Súčasne sa rýchlosť druhého pásu úmerne zvýši avšak hodnota hnacej sily na tomto páse zostáva zachovaná. Teda sa jedná o stratový smerový riadiaci mechanizmus, ktorý zabezpečuje silové smerové riadenie pásových traktorov. Avšak pri úplnom zabrzdení jedného pásu, dochádza k bezstratovému smerovému riadeniu a to aj napriek tomu, že jednoduchý brzdený diferenciál je všeobecne považovaný za stratový riadiaci mechanizmus. Aj napriek svojej jednoduchosti sa tento riadiaci mechanizmus už dlhú dobu nepoužíva a to práve z dôvodu vznikajúcich strát výkonu na smerových brzdách. Okrem toho dochádzalo k značnému opotrebeniu smerových bŕzd, čo si vyžadovalo ich časté nastavovanie, prípadne výmenu brzdového obloženia alebo celých brzdových pásov. V súčasnosti sa s jednoduchým brzdeným diferenciálom môžeme stretnúť už len na historických malých pásových traktoroch, určených prevažne pre mechanizáciu prác vo vinohradoch.

Obr. 1

Obr. 1: Jednoduchý brzdený diferenciál

Dvojitý brzdený diferenciál

Po stránke funkčnej a spôsobu činnosti je dvojitý brzdený diferenciál (Obr. 2) úplne zhodný s jednoduchým brzdeným diferenciálom, ale je konštrukčne zložitejší. Konštrukčná zložitosť je spôsobená tým, že na každej strane sú dve planetové kolesá, pričom každé planetové koleso s väčším priemerom je pevne spojené s príslušným brzdovým bubnom. Ako je ďalej zrejmé z grafického znázornenia na Obr. 2, takéto konštrukčné riešenie vyžaduje použitie dvojitých satelitov, čo tiež celú konštrukciu komplikuje. Hlavná výhoda dvojitého brzdeného diferenciálu spočíva predovšetkým v tom, že hnacia poloos nie je pri smerovom riadení namáhaná brzdovým momentom, takže aj ozubenia menšieho planetového kolesa a satelitu je odľahčené. Pre úplnosť treba spomenúť, že dvojitý brzdený diferenciál kedysi predstavoval určitý technický pokrok, v porovnaní s jednoduchým brzdeným diferenciálom.

Obr. 2

Obr. 2: Dvojitý brzdený diferenciál

Smerové spojky a brzdy

Smerové spojky a brzdy (Obr. 3) nevyžadujú diferenciál, ale na každej strane musí byť okrem smerovej spojky S1S2 aj smerová brzda B1 B2. Pri malej zmene smeru jazdy sa na príslušnej strane vypne buď čiastočne alebo úplne smerová spojka. Pri väčších zmenách smeru je potrebné použiť súčasne pri vypnutej smerovej spojke aj smerovú brzdu. Avšak na rozdiel od brzdeného diferenciálu pri znížení rýchlosti jedného pásu zostáva rýchlosť druhého pásu rovnaká.

Stratové smerové riadenie sa dosiahne pri nasledovných režimoch:

  • smerová spojka čiastočne vypnutá smerová brzda úplne odbrzdená,
  • smerová spojka úplne vypnutá a smerová brzda čiastočne zabrzdená.

Bezstratové smerové riadenie sa dosiahne pri týchto režimoch:

  • smerová spojka úplne vypnutá a smerová brzda úplne odbrzdená,
  • smerová spojka úplne vypnutá a smerová brzda úplne zabrzdená.

Smerové spojky sa spravidla ovládajú ručnými pákami a smerové brzdy nožnými pedálmi. Tento systém smerového riadenia sa v minulosti používal na dnes už historických pásových traktoroch s typovým označením DT-54 a S-80 resp. S-100, ktoré sa k nám dovážali z bývalého Sovietskeho zväzu. Pásové traktory DT-54 sa používali hlavne na orbu a predsejbovú prípravu pôdy a pásové traktory S-80 a S-100 ako buldozéry na zemné práce v stavebníctve.

Obr. 3

Obr. 3: Smerové spojky a brzdy

Planetový smerový mechanizmus

Planetový smerový riadiaci mechanizmus (Obr. 4) predstavuje progresívnu konštrukciu smerového riadenia pásových traktorov aj keď samotný planetový mechanizmus z kinematického a silového hľadiska je pomerne zložitý konštrukčný celok. Z kinematickej schémy znázornenej na obr. 4 je zrejmé, že na každej strane je použitý jeden planetový mechanizmus a dve smerové brzdy B1B2 resp. B3B4. Pre jednoduchosť a názornosť je ďalej vysvetlená činnosť planetového riadiaceho mechanizmu pri priamej jazde a pri zmene smeru jazdy doľava, pričom pri zmene smeru jazdy doprava sa deje to isté, ale na pravej strane.

Obr. 4

Obr. 4: Planetový smerový riadiaci mechanizmus

Pri jazde v priamom smere je smerová brzda B1 odbrzdená a smerová brzda B2 zabrzdená, takže centrálne koleso Z5 planetového mechanizmu je zablokované. V tomto prípade planetový mechanizmus pracuje ako štandardný planetový prevod dopomala s prevodovým pomerom cca 1,4. Hnacím členom je korunové ozubené koleso Z3 s vnútorným ozubením, ktoré cez satelity Z4 poháňa unášač, ktorý je pevne spojený s ľavou poloosou.

Pri zmene smeru jazdy doľava sa smerová brzda B2 odbrzdí, čím sa centrálne ozubené koleso Z5 uvoľní a prenos hnacieho momentu na ľavú poloos sa preruší. V konečnom dôsledku sa rýchlosť ľavého pásu zníži a dochádza k miernej zmene smeru jazdy doľava. V prípade, že sa vyžaduje prudká zmena smeru jazdy doľava, je potrebné použitím brzdy B1 ľavú poloos pribrzdiť, prípadne úplne zastaviť.

Ovládanie smerových bŕzd B2B3 je spravidla ručnými pákami, pričom smerové brzdy B1B4 sa ovládajú pedálmi.

Stratové smerové riadenie sa dosiahne pri týchto režimoch:

  • smerová brzda B2 resp. B3 čiastočne zabrzdená a smerová brzda B1B4 úplne odbrzdená,
  • smerová brzda B2 resp. B3 úplne odbrzdená a smerová brzda B1 resp. B4 čiastočne zabrzdená.

Bezstratové smerové riadenie sa dosiahne iba pri tomto režime:

  • obidve smerové brzdy B1B2 resp. B3B4 úplne odbrzdené,
  • smerová brzda B2 resp. B3 úplne odbrzdená a smerová brzda B1 resp. B4. úplne zabrzdená.

Planetový smerový mechanizmus sa ešte donedávna používal na u nás dobre známych pásových traktoroch s typovým označením DT – 75, dovážaných z bývalého Sovietskeho zväzu. V súčasnosti sa používa na menej výkonných pásových traktoroch.

Obr. 5

Obr. 5: Konštrukcia planetového smerového mechanizmu (ľavá strana)

Diferenciálny smerový mechanizmus s hydrostatikou

Diferenciálny smerový mechanizmus s hydrostatikou (Obr. 6) je v odbornej verejnosti známy aj pod názvom „hydrostatické riadenie“. Aj napriek konštrukčnej zložitosti sa jedná o najprogresívnejší smerový mechanizmus, pretože umožňuje bezstratové smerové riadenie v celom rozsahu svojej činnosti. Zo vzájomného porovnania kinematickej schémy znázornenej na obr. 4 a obr. 5 je zrejmé, že sa jedná o štandardný planetový smerový mechanizmus avšak s tým rozdielom, že centrálne ozubené kolesá obidvoch planetových prevodov nie sú ovládané smerovými brzdami, ale hydrostatickým pohonom. Samotný hydrostatický pohon pozostáva z obojsmerného regulačného hydrogenerátora HG a obojsmerného hydromotora HM s konštantným geometrickým objemom. Hydrogenerátor HG je umiestený v medziskrini a jeho pohon je zabezpečený ozubenými kolesami. Obojsmerný hydromotor HM cez ozubené kolesá Z9, Z8, Z7 a Z6 poháňa ľavé centrálne koleso Z5. Podobným spôsobom je zabezpečený pohon pravého centrálneho ozubeného kolesa Z15 , avšak s tým rozdielom, že medzi ozubené kolesá Z10 a Z12 je vložené ozubené koleso Z11. Toto vložené ozubené koleso Z11 pri činnosti diferenciálneho smerového mechanizmu spôsobuje opačný zmysel otáčania pravého centrálneho kolesa Z15, oproti ľavému centrálnemu ozubenému kolesu Z5.

Obr. 6

Obr. 6: Kinematická schéma diferenciálneho mechanizmu s hydrostatikou prototypu pásového traktora PPT-130

Pri priamom smere jazdy hydrogenerátor HG je nastavený na nulovú dodávku oleja, takže hydrostatický pohon nie je v činnosti, pričom hydromotor HM je hydraulicky zablokovaný a plní funkciu brzdy. To v konečnom dôsledku znamená, že obidve centrálne ozubené kolesá Z5 a Z15 sú zastavené a ľavý aj pravý planetový mechanizmus pracuje ako štandardný planetový prevod do pomala. Z vyššie uvedeného vyplýva, že pri priamom smere jazdy je funkcia a činnosť diferenciálneho smerového mechanizmu rovnaká ako činnosť planetového smerového mechanizmu.

Podobne ako v prípade planetového smerového mechanizmu, budeme analogicky aj v tomto prípade analyzovať činnosť diferenciálneho smerového mechanizmu pri zmene smeru jazdy doľava. Aby došlo k požadovanej zmene smeru jazdy doľava, je potrebné znížiť rýchlosť ľavého pásu, čo sa dosiahne prostredníctvom hydrostatického pohonu. Hydrogenerátor HG sa nastaví na dodávku oleja tak, aby hydromotor HM cez ozubené kolesá Z9, Z8, Z7Z6 zabezpečil opačný zmysel otáčania centrálneho kolesa Z5 oproti korunovému ozubenému  kolesu Z3. Súčasne cez ozubené kolesá Z9, Z8, Z10, Z11Z12 sa bude centrálne koleso Z15 otáčať v súhlasnom zmysle ako korunové ozubené koleso Z13 v dôsledku čoho sa rýchlosť pravého pásu zvýši. Teda vždy pri zmene smeru jazdy sa rýchlosť jedného pásu zníži a súčasne rýchlosť druhého pásu sa úmerne zvýši. Tento kinematický režim je spôsobený navzájom opačným zmyslom otáčania centrálnych ozubených kolies Z5Z15 v dôsledku vloženého kolesa Z11.  

Pre úplnosť a názornosť je snáď vhodné uviesť, že pri zmene smeru jazdy doprava sa nastavením hydrogenerátora HG zmení zmysel otáčania hydromotora HM a tiež zmysly otáčania centrálnych ozubených kolies Z5Z15, ktoré však budú aj v tomto prípade navzájom opačné. Takže v konečnom dôsledku sa rýchlosť pravého pásu zníži a súčasne ľavého úmerne zvýši.

Vyššie popísaný diferenciálny smerový mechanizmus s hydrostatikou umožňuje tzv. „pivotné zatáčanie“, keď sa jeden pás pohybuje dopredu a druhý dozadu, pričom sa pásový traktor otáča okolo geometrického stredu. Tento atypický kinematický režim sa dosiahne pri nastavení hydrogenerátora HG na určitý geometrický objem vtedy, keď je v prevodovke zaradený neutrál a súčasne je zabrzdená parkovacia brzda B2.

Vlastné nastavenie geometrického objemu hydrogenerátora HG a tým aj smerové riadenie pásového traktora sa uskutočňuje volantom, teda spôsobom tradične zaužívaným na kolesových traktoroch. Riadiaci systém pracuje proporcionálne to znamená, že zmena smeru jazdy je priamo úmerná uhlu vytočenia volantu, takže obsluha má subjektívny pocit ako pri smerovom riadení kolesového traktora.  

Bezstratové smerové riadenie v celom rozsahu činnosti diferenciálneho smerového mechanizmu s hydrostatikou je spôsobené tým, že pri zmene smeru jazdy dochádza k cirkulácii výkonu z vnútorného pásu na vonkajší, teda sa jedná o tzv. regeneratívny systém smerového riadenia.

Skutočnosť, že všetci renomovaní výrobcovia výkonných pásových traktorov používajú v súčasnosti výlučne diferenciálny smerový mechanizmus s hydrostatikou je dôkazom toho, že sa jedná o účelný, technicky atraktívny a do určitej miery aj bezkonkurenčný systém smerového riadenia. Po roku 1990 bol u nás dobre známy a atraktívny pásový traktor CAT CHALLENGER, ktorý bol vybavený diferenciálnym smerovým riadením. Následne toto technické riešenie pásového pojazdného ústrojenstva začali používať aj ďalšie firmy napr. JOHN DEERECLAAS.

Príspevok bol spracovaný na základe dostupných technických dokumentov a vlastných kinematických schém autorov.