Hamulce długotrwałego działania
   Rozdział 3 - 3.4

Powrót do spisu treści

3. OPIS BUDOWY I DZIAŁANIA ZWALNIACZY

3.4. ZWALNIACZE HYDROKINETYCZNE


Zasada działania zwalniaczy hydrokinetycznych jest identyczna jak sprzęgieł hydrokinetycznych, z tym, że w hamulcach wirnik turbiny jest połączony na stałe z nieruchomym korpusem (stator), a wirnik pompy z wałem napędowym (rotor). Na rys. 3.41 i 3.42 przedstawiono zasadę pracy takiego zwalniacza i schemat jego budowy.
 

Rys. 3.41 Zasada działania zwalniacza hydro-kinetycznego [17]

Rys. 3.42 Schemat budowy zwalniacza hydro-kinetycznego [26] 1 - wał;   2 - rotor;   3 - stator;    4 - zbiornik oleju

Włączenie odbywa się przez wypełnienie przestrzeni roboczej cieczą roboczą wtłaczaną ze specjalnego zbiornika. Hamulec pracuje w zasadzie jak sprzęgło hydrokinetyczne o zmiennym stopniu napełnienia, z tym, że zawsze pracuje przy przełożeniu kinematycznym i_k=0. Zgodnie z zależnościami wyprowadzonymi dla sprzęgieł hydrokinetycznych, przy całkowitym wypełnieniu zwalniacza cieczą roboczą, moment hamujący M_H w funkcji prędkości wału hamulca w_H przedstawia zależność:

                              
gdzie: l - współczynnik momentu [1/rad2]
r - gęstość cieczy [kg/m3]
w - prędkość kątowa wału [rad/s]
D – średnica czynna [m]

Jest to zatem parabola w funkcji wH (rys. 3.43 - krzywa 1).

Rys. 3.43 Charakterystyka zwalniacza hydro-kinetycznego [26]

Dla przestrzeni roboczej zwalniacza całkowicie opróżnionego z cieczy roboczej, moment na wale hamulca będzie wynikał z oporów tarcia w łożyskach oraz momentu wywołanego cyrkulacją powietrza między wirnikami (w powietrzu tym mogą być również obecne pary cieczy roboczej). Moment ten nazywamy momentem strat – M_Hstr. (rys. 3.43 - krzywa 2). Pole zawarte między krzywymi 1 i 2, przedstawiające możliwości zwalniacza, jest jeszcze ograniczone wartościami M_Hmax i w_Hmax wynikającymi również ze względów wytrzymałościowych. Dla uniknięcia przekraczania wartości MHmax w pewnych zakresach w_H, a także dla uzyskania odpowiedniej charakterystyki hamowania, stopień napełnienia hamulca jest automatycznie regulowany. Przebieg regulacji może odbywać się według różnych programów. Dla zwalniaczy hydrokinetycznych, stosowanych w pojazdach, z reguły stosuje się regulację powodującą, że M_H=const. Energia hamowania pojazdu zostaje w końcowym efekcie zamieniona na ciepło, podnosząc temperaturę cieczy roboczej. Z tego względu ciecz w retarderze musi być - w okresie hamowania - ciągle chłodzona.
Moment hamujący - zgodnie ze wspomnianą zależnością - jest proporcjonalny do gęstości środka wypełniającego przestrzeń roboczą zwalniacza. Stosunek gęstości cieczy roboczej ( r = 850 kg/m3 ) i powietrza ( r = 1,22 kg/m3 ) jest jak 700:1. W tym samym stosunku przebiegać będą krzywe M_H i M_Hstr . Zmniejszenie momentu strat realizuje się poprzez:
- rozdzielenie wirników hamulca składaną blaszaną przesłoną, usuwaną w chwili włączenia hamulca,
- umieszczenie w kanałach międzyłopatkowych wirnika turbiny ruchomych prze-szkód, chowających się z chwilą pojawienia się cieczy roboczej w zwalniaczu,
- częściowe wypompowanie powietrza z przestrzeni roboczej zwalniacza (tworzenie częściowej próżni) [26].
Włączanie hamulca odbywa się za pomocą pedału hamulca lub dźwigienki działającej na zawór napełnienia hamulca. Zawór ten łączy zbiornik cieczy roboczej z dopływem sprężonego powietrza. Powietrze wypycha ciecz ze zbiornika do przestrzeni roboczej hamulca. Dzięki takiemu urządzeniu czas włączenia hamulca jest bardzo krótki i zazwyczaj nie przekracza 0,5 sek. do chwili pełnego włączenia. Budowa zaworu napełnienia zapewnia uzyskanie stopnia napełnienia proporcjonalnego do położenia pedału lub dźwigni, oraz automatyczną regulację stałego momentu w funkcji prędkości wału zwalniacza. Jako sygnał dla tej regulacji wykorzystywane jest ciśnienie dynamiczne cieczy w przestrzeni roboczej. W zwalniaczach hydrokinetycznych produkowanych obecnie czynnikiem roboczym jest olej. W produkowanym dawniej przez firmę SAMM zwalniaczu hydrokinetycznym, w którym występował podwójny układ czasz (rys. 3.44), czynnikiem roboczym była woda pobierana z układu chłodzenia silnika.

Rys. 3.44 Zwalniacz hydrokinetyczny SAMM [28]

Przewód zasilania zwalniacza podłączony był do układu chłodzącego tuż za pompą wody, natomiast przewód odpływowy i odpowietrzania doprowadzony był do górnego zbiornika chłodnicy. W ten sposób chłodnicę silnika wykorzystano jako bezpośredni wymiennik ciepła.
W przypadku zwalniaczy, w których czynnikiem roboczym jest olej, chłodzenie odbywa się w sposób pośredni. Wymiennik ciepła olej-woda znajduje się bezpośrednio przy retarderze i połączony jest on z układem chłodzenia silnika (rys. 3.45).

Rys. 3.45 Układ chłodzenia zwalniacza hydrokinetycznego [17] 1.Zwalniacz 2. Wymiennik ciepła 3. Skrzynia biegów 4. Silnik 5. Pompa cieczy chłodzącej 6. Termostat 7. Chłodnica silnika

Dla zapewnienia obiegu oleju wykorzystuje się jego pompowanie przez wirnik pompy samego zwalniacza. Chłodnica silnika nie musi być powiększana po zastosowaniu hamulca hydrokinetycznego, ponieważ w okresie hamowania silnik pracuje z reguły na biegu jałowym, nieznacznie tylko obciążając chłodnicę.
Do wad zwalniaczy hydrokinetycznych zalicza się duży moment strat natomiast do zalet:
- wysoką trwałość,
- dużą pojemność energetyczna,
- pewność działania,
- zapobieganie przechładzaniu silnika przy długotrwałym użyciu zwalniacza,.
- mały wskaźnik masy w stosunku do osiąganego maksymalnego momentu hamowania (od 0,02....0,04)
Poniżej omówiono poszczególne rodzaje zwalniaczy hydrokinetycznych.

3.4.1. Zwalniacz hydrokinetyczny podwoziowy

Nazwą taką określany jest zwalniacz hydrokinetyczny, wykonany jako odrębny zespół, który może być usytuowany w pojeździe w układzie szeregowym lub równoległym.

3.4.1.1 Zwalniacz podwoziowy w układzie szeregowym (in line)

Zwalniacz jest montowany w „osi” układu przeniesienia napędu. Prędkość obrotowa wału zwalniacza jest równa prędkości obrotowej wału napędowego. Może być zespolony ze skrzynią biegów (montowany do jej tylnej pokrywy), lub też może być zamontowany do ramy pojazdu jako łożysko podporowe dzielonego wału napędowego. Na rys. 3.46 przedstawiona jest dwunastobiegowa skrzynia biegów z Fabryki Przekładni Samo-chodowych w Tczewie. Jest ona przeznaczona do autobusów średniej ładowności (np. JELCZ T123 MB). Ze skrzynią biegów zespolony jest retarder VOITH R120. Na rys. 3.47 jest przedstawiony zwalniacz VOITH R130, w zabudowie swobodnej, jako łożysko podporowe.

Rys. 3.46 Zwalniacz VOITH R120 ze skrzynią biegów FPS TS12 - 90

Rys. 3.47 Zabudowa swobodna zwalniacza [29

3.4.1.2 Zwalniacz podwoziowy w układzie równoległym (off line)

Zwalniacze te nazywane są również bocznikowymi. Są one mocowane do korpusu skrzyni biegów. Umieszczone są poza „osią” układu przeniesienia napędu, a prędkość obrotowa wału zwalniacza jest większa od prędkości obrotowej wału napędowego. Przełożenie zwiększające uzyskuje się poprzez połączenie koła zębatego walcowego, umieszczonego na wałku głównym skrzyni biegów i koła zębatego, zamocowanego na wale zwalniacza. Najczęściej układy olejowe skrzyni biegów i zwalniacza są rozdzielone (VOITH, SCANIA). Jest to rozwiązanie korzystniejsze, niż rozwiązanie, w którym do pracy zwalniacza wykorzystywany jest olej ze skrzyni biegów (ZF-Intarder). Na rysunkach 3.48 i 3.49 przedstawione są przykładowe rozwiązania zwalniaczy bocznikowych.

Rys. 3.48 Zwalniacz hydrokinetyczny VOITH R115 [17]

Rys. 3.49 Zwalniacz hydrokinetyczny ZF – Intarder [19]

3.4.2. Zwalniacz hydrokinetyczny zintegrowany z automatyczną skrzynią biegów


Jak wspomniano w rozdziale 1, jednym ze sposobów hamowania, podczas którego najintensywniejszemu zużyciu podlegają szczęki i bębny hamulcowe, jest hamowanie wielokrotne. Podlegają mu zwłaszcza pojazdy poruszające się głównie w miastach. Obecnie większość pojazdów eksploatowanych w ruchu miejskim (autobusy miejskie, samochody komunalne) wyposażone są w automatyczne skrzynie biegów. Wielu producentów takich skrzyń łączy je od razu z - bardzo przydatnymi - zwalniaczami. Pozwala to na zmniejszenie masy całego zespołu, daje możliwość wykonania wspólnego układu sterującego a także umożliwia współpracę z innymi układami (ABS, ASR itp.). Retarderem może być odrębny moduł, montowany w korpusie skrzyni biegów, lub może być wykorzystany hydro-kinetyczny zmiennik momentu.
 

3.4.2.1 Zwalniacz jako odrębny moduł

Rozwiązanie to jest stosowane przez wielu producentów automatycznych skrzyń biegów. Zwalniacz w takiej skrzyni biegów znajduje się pomiędzy przekładnią hydrokinetyczną a modułem przekładni planetarnej (rys. 3.50). Posiada taką samą budowę jak zwalniacz podwoziowy.

Rys. 3.50 Zwalniacz w automatycznej skrzyni biegów Mercedes Benz [23]

Rotor jest osadzony na wale wyjściowym przekładni hydrokinetycznej. Stator przykręcany jest do korpusu skrzyni biegów. Uruchamianie następuje poprzez wypełnienie olejem. Rozwiązanie to nie posiada urządzeń zmniejszających straty niepracującego zwalniacza. Jedynie retarder zabudowany w automatycznej skrzyni biegów firmy ZF typ HP-500, 590 i 600 (rys. 3.51) ma stator specjalnej konstrukcji, który jest dodatkowo wyposażony w tarczę ażurową, zmieniającą kątowe położenie w zależności od jazdy stałej lub hamowania (rys. 3.52).

Rys. 3.51 Automatyczna skrzynia biegów ZF – Ecomat [19] 1. Przekładnia hydrokinetyczna 2. Moduł zasilania olejem 3. Moduł zwalniacza 4. Moduł przekładni planetarnych 5. Moduł sterujący
Rys. 3.52 Moduł zwalniacza skrzyni ZF – Ecomat [19]

Ustawienie tarczy jest sterowane. Odpowiednie ustawienie oraz specjalny kąt łopatek na niej zmniejsza moment strat. Innym rozwiązaniem jest umiejscowienie retardera na wałku wyjściowym automatycznej skrzyni biegów podobnie jak w przypadku skrzyń mechanicznych. Rozwiązanie takie zostało zastosowane przez firmę VOITH oraz ALLISON. Firma VOITH w automatycznych skrzyniach biegów typu Midimat BR (rys. 3.53) stosuje zwalniacze oparte konstrukcyjnie na elementach zwalniacza VOITH R120 który jest sterowany układem elektronicznym skrzyni biegów. Firma ALLISON w skrzyniach B 300R, B 400R oraz B 500R (rys. 3.54) przeznaczonych do zabudowy w autobusach zastosowała zwalniacze z bliźniaczym układem czasz.

	1. Sprzęgło z tłumikiem drgań 2. Wirnik turbiny Moduł przekładni 3. Wirnik kierownicy R1 hydrokinetycznej 4. Wirnik kierownicy R2 5. Wirnik pompy 6. Dodatkowy odbiór napędu 7. Hamulec wielotarczowy - 2. zakres jazdy 8. Sprzęgło wielotarczowe - 3. zakres jazdy 9. Hamulec wielotarczowy - 1. zakres jazdy, zakres jazdy do tyłu 10. Przekładnia planetarna 11. Hamulec wielotarczowy 12. Wał wyjściowy 13. Rotor Zwalniacz 14. Stator 15. Miska oleju 16. Wymiennik ciepła
Rys. 3.53 Zwalniacz z automatyczną skrzynią biegów VOITH Midimat BR [17
Rys. 3.54 Zwalniacz z automatyczną skrzynią biegów ALLISON B 500R [8]

3.4.2.2. Zwalniacz wykorzystujący hydrokinetyczny zmiennik momentu

Jako element hamujący wykorzystana jest przekładnia hydrokinetyczna automatycznej skrzyni biegów. Odpowiedni moment hamujący uzyskiwany jest przez odpowiednie przełożenie przekładni planetarnej. Przykładem takiej skrzyni biegów do samochodów osobowych jest model TURBOGLIDE 1957. Układ kinematyczny oraz schematyczny przekrój tej skrzyni przedstawia rys. 3.55.

Rys. 3.55 Schemat kinematyczny i przekrój automatycznej skrzyni biegów Turboglide [22]

Przekładnia hydrokinetyczna składa się z pięciu elementów (pompy, trzech turbin i kierownicy). Włączenie zwalniacza następuje po ustawieniu dźwigni na zakres „HR” (Hill Retarder). Ustawienie tego zakresu powoduje włączenie sprzęgła zwalniacza, podczas gdy pozostałe sprzęgła są rozłączone. Takie połączenie pierwszej turbiny z wałem wyjściowym (pozostałe turbiny obracają się swobodnie) pozwala na bardzo skuteczne hamowanie, ponieważ napęd od wału wyjściowego jest przekazywany za pośrednictwem tylnej przekładni planetarnej. Ponieważ koło pierścieniowe jest zablokowane a napęd od wału wyjściowego podawany jest na koszyk satelitów, to koło słoneczne obraca się 2,67 razy szybciej. Ponieważ wał, na którym osadzone jest koło słoneczne tylnej przekładni planetarnej połączony jest z pierwszą turbiną, obraca się ona odpowiednio szybciej, wprowadzając w ruch olej. Umożliwia to hamowanie silnikiem oraz samą przekładnią, dzięki oporom stawianym olejowi przez jej nieruchome elementy. Na rys. 3.56 pokazana jest automatyczna skrzynia biegów VOITH DIWA D 851.2/D863

	1. Hydrokinetyczny zmiennik momentu 2. Hamulec wirnika pompy 3. Sprzęgło przełączeniowe 4. Przekładnia różnicowa 5. Sprzęgło wejściowe 6. Przekładnia planetarna turbiny 7. Przekładnia planetarna biegu wstecznego i zwalniacza 8. Sprzęgło sprężyste 9. Wymiennik ciepła
Rys. 3.56 Automatyczna skrzynia biegów VOITH DIWA D 851.2 / D 863 [17]

W przekładni tej występuje układ hydromechaniczny równoległy z rozdziałem mocy. Elementem hydrokinetycznym tej skrzyni jest przekładnia hydrokinetyczna z nieruchomą obudową i to ona jest elementem hamującym. Hamowanie zwalniaczem możliwe jest w zasadzie na wszystkich biegach, z tym, że na pierwszym biegu tylko przy odpowiednim wykonaniu sterowania elektronicznego, oraz gdy retarder został uprzednio uruchomiony na drugim biegu (pedałem hamulca). Aby przekładnia hydrokinetyczna skutecznie hamowała, blokowane jest sprzęgło wielo-tarczowe wirnika pompy, oraz sprzęgło wielotarczowe przekładni planetarnej biegu wstecznego. W wyniku tego wirnik turbiny obraca się z dużą prędkością w przeciwną stronę, niż przy normalnej pracy i tłoczy olej na koło kierownicy oraz stojący wirnik pompy. Ponieważ liczba obrotów wirnika turbiny zależna jest tylko od przełożenia obu zespołów planetarnych przekładni dodatkowej, sprzęgło wejściowe i sprzęgło przełączeniowe nie wpływa na działanie zwalniacza, tzn. wyhamowanie jest identyczne na wszystkich biegach mechanicznych. Układ kinematyczny 3-biegowej skrzyni biegów oraz przebieg momentu podczas hamowania na wszystkich biegach pokazany jest na rys. 3.57.

Położenie neutralne
Hamowanie na 3 biegu
Hamowanie na 2 biegu
Hamowanie na 1 biegu
Rys. 3.57 Układ kinematyczny oraz przebieg momentu podczas hamowania w skrzyni biegów VOITH DIWA D 851.2 / D 863 [17]

Działanie zwalniacza jest proporcjonalne do kwadratu liczby obrotów turbiny, względnie do prędkości jazdy, dlatego też już przy stosunkowo małych prędkościach osiąga się duże wyhamowania. Paraboliczny wzrost krzywej momentu hamowania mógłby jednak - przy wysokich prędkościach - doprowadzić do prze-ciążenia elementów znajdujących się za przekładnią. Dlatego, gdy moment hamowania osiągnie określoną wielkość, to - niezależnie od prędkości - zostaje on po-przez sterowanie wewnątrz przekładni utrzymany na stałym poziomie. Retarder w pojeździe sterowany jest za pomocą pedału hamulca (na życzenie możliwe jest wprowadzenie sterowania dźwignią umieszczoną na desce rozdzielczej) oraz zaworu modulacyjnego. Wielkość momentu hamowania zależy od położenia pedału. Przy gwałtownym i całkowitym wciśnięciu pedału hamulca w przekładni hydrokinetycznej, zwiększa się ciśnienie oleju pompowanego przez pompę. W efekcie maksymalny moment hamowania, jaki można uzyskać przy pomocy omawianej skrzyni biegów firmy VOITH jest bardzo wysoki i wynosi 3000 Nm.

3.4.3. Zwalniacz w zespole hydrokinetycznym do mechanicznej skrzyni biegów

3.4.3.1. Zwalniacz jako odrębny moduł w zespole

W połowie lat osiemdziesiątych firma ZF wprowadziła do produkcji zespół tzw. ZF Transmatic. Zespół ten składa się z klasycznej skrzyni biegów (6…16 biegów) oraz przekładni WSK 400. Składa się ona z przekładni hydrokinetycznej systemu Trilok ze sprzęgłem blokującym, zwalniacza hydrokinetycznego oraz zwykłego ciernego sprzęgła rozłączającego. Zespół ZF-Transmatic ma zastosowanie do ciężkich pojazdów budowlanych, ciągników balastowych itp. Retarder w przekładni WSK 400 usytuowany jest pomiędzy przekładnią hydrokinetyczną a sprzęgłem rozłączającym. Stator zwalniacza umocowany jest do korpusu zespołu, natomiast rotor wiruje wraz z wałem sprzęgła, na którym jest osadzony. Na rysunku 3.58 pokazany jest zespół ZF–Transmatic współpracujący z szesnastobiegową skrzynią biegów ZF-Ecosplit 16 S 221.

Rys. 3.58 Zespół ZF-Transmatic [19] 1. Przekładnia hydrokinetyczna;     3. Zwalniacz 2. Sprzęgło mostkujące;     4. Sprzęgło cierne jednotarczowe

3.4.3.2. Zwalniacz wykorzystujący hydrokinetyczny zmiennik momentu

Inne rozwiązanie zespołu hydrokinetycznego, przeznaczonego do współpracy z mechaniczną skrzynią biegów, proponowała w 1975 roku firma FIAT (rys. 3.59) do swoich wywrotek (trzy- i czteroosiowych). W skład zespołu wchodziła przekładnia hydrokinetyczna ze sprzęgłem blokującym, hamulec wielotarczowy blokujący wieniec kierownicy, cierne sprzęgło rozłączające oraz korpus przykręcany do silnika. W przypadku tego zespołu do hamowania wykorzystuje się przekładnię hydrokinetyczną. Retarder uruchamiany jest poprzez zablokowanie sprzęgła blokującego przekładni hydrokinetycznej oraz hamulca wieńca kierowniczego. Wirujący w przekładni olej jest wyhamowywany na łopatkach unieruchomionego wieńca kierownicy. Sprzęgło rozłączające musi być włączone.

3.4.4 Zwalniacz hydrokinetyczny dwurotorowy

Zwalniacz dwurotorowy może być stosowany w dwu- lub trzyosiowych naczepach o największych dopuszczalnych masach całkowitych, dla których zakłada się długi czas eksploatacji oraz potrzebę maksymalnego bezpieczeństwa ruchu. Schemat przykładowej zabudowy zwalniacza hydrokinetycznego firmy VOITH typu GR 116 do dwuosiowej naczepy o rozstawie osi minimum 1300 mm jest pokazany na rys. 3.60. Osie naczepy muszą posiadać półosie, mechanizmy różnicowe oraz przekładnie główne. Od każdej osi napędzany jest jeden rotor. Do ramy naczepy przymocowany jest zbiornik oleju, do którego z kolei doprowadzony jest prze-wód powietrza z zaworu sterującego. Powietrze powoduje wtłoczenie oleju do przestrzeni roboczej zwalniacza. Podczas pracy olej ciągle przepływa przez chłodnicę, oddając ciepło bezpośrednio do otoczenia. Podczas przepływu ze zwalniacza do chłodnicy, olej po-rusza silnik hydrauliczny (przeznaczony do napędu wentylatora chłodnicy). Całą pracę kontroluje komputer, do którego przekazywane są sygnały z przełącznika pozycji pracy, czujnika temperatury oleju, systemu ABS oraz czujnika ciśnienia powietrza w miechach pneumatycznego zawieszenia naczepy. Na rys. 3.61 pokazano sposób jego zabudowy do trzyosiowej naczepy.

Rys. 3.60 Schemat zwalniacza VOITH GR 116 [2] 1 i 2 Rotory 3. Zbiornik oleju 4. Chłodnica oleju 5. Wentylator 6. Silnik hydrauliczny 7. Komputer a. Przełącznik stopni b. System c. Zasilanie 24V d. Czujnik temperatury oleju e. Masa f. Ciśnienie w miechach zawieszenia pneumatycznego

Rys. 3.61 Widok zwalniacza VOITH GR 116 zainstalowanego w trzyosiowej przyczepie [6]

rozdział 4 >>>