Jak działa napęd hydrostatyczny w kosiarkach i traktorkach ogrodowych

Poszukiwanie idealnego sposobu przenoszenia napędu wraz z możliwością zmiany przełożenia podczas pracy wymagało od konstruktorów pomysłowości. Wiele ciekawych rozwiązań powstało w efekcie ich pracy. W obecnym artykule zajmiemy się rozwiązaniem, które, mimo iż dziś często stanowi podstawę napędu wielu rodzin maszyn roboczych, otarło się o zapomnienie: przekładnią hydrostatyczną, potocznie nazywaną również hydrostatem.

Czym jest napęd hydrostatyczny?

Przekładnia hydrostatyczna to rodzaj przekładni bezstopniowej (CVT), która wykorzystuje ciśnienie hydrauliczne do przenoszenia momentu obrotowego z silnika na koła maszyny. De facto, w przypadku przekładni hydrostatycznej nie mamy do czynienia z żadną bezpośrednią współpracą jakichkolwiek ruchomych elementów mechanicznych. Medium, które pośredniczy w przepływie mocy, to olej hydrauliczny, zaś sam przepływ jest możliwy dzięki różnicy ciśnień pomiędzy pompą a silnikiem hydraulicznym. Układ hydrostatyczny składa się z pompy hydraulicznej, silnika hydraulicznego oraz układu sterowania.

Historia i ewolucja napędów hydrostatycznych

Mówiąc o przekładniach hydrostatycznych, należałoby zacząć od lat 60. ubiegłego stulecia. Na początku drugiej połowy XX wieku przekładnie hydrostatyczne trafiły do maszyn, które można było kupić z zapewnieniem, że są to produkty w pełni użyteczne, a nie chwilowa technologiczna fanaberia. Za wprowadzeniem hydrostatów stały dwie firmy: Caterpillar oraz International Harvester. Amerykański potentat maszyn budowlanych dzięki wprowadzeniu tego rodzaju układu przeniesienia napędu sprawił, że praca jego spycharkami była przyjemna jak nigdy dotąd, zaś IH zaoferował rolnikom innowacyjne ciągniki. Nowinka, jaką stanowiła przekładnia hydrostatyczna, wzbudzała zazdrość innych koncernów i była marzeniem traktorzystów, którzy mieli dosyć zgrzytających kół czy kłopotliwych, zbyt szybko zużywających się synchronizatorów.

Ponadto za nowym napędem przemawiały także prostota budowy i całkiem przyzwoita niezawodność. Pewną niedogodnością był charakterystyczny dźwięk towarzyszący pracy pompy na wysokich obrotach oraz znacznie większe zużycie paliwa czy problemy z rozruchem w mroźne zimy. Jak się okazało, nowy napęd, mimo wysokiego komfortu pracy, ze względu na powyższe wady nie zyskał wówczas dużego uznania wśród producentów maszyn i ich użytkowników. Rozwiązanie na dobre powróciło do użytku na początku lat 80., stając się nieodzownym elementem wielu maszyn rolniczych. Jego zalety docenili przede wszystkim producenci kombajnów zbożowych (wówczas tylko zachodni), którzy zdecydowanie poprawili komfort pracy operatora, umożliwili dopasowanie prędkości i kierunku jazdy bez zmiany biegów oraz mogli częściowo uprościć budowę kombajnu, odejmując przekładnię pasową i skrzynię biegów.

Zasada działania przekładni hydrostatycznej

W praktyce wiele pomp może pracować jako silniki, podobnie jak niektóre maszyny elektryczne mogą być albo generatorami prądu, albo silnikami elektrycznymi.

Typy pomp w układach hydrostatycznych

Jednym z elementów układu hydrostatycznego jest pompa. Może być to pompa zębata, choć takie rozwiązanie jest obecnie stosowane niezbyt często. Głównym powodem jest najmniejsza sprawność wśród tego typu przekładni, co wynika ze stosunkowo niewielkich ciśnień, jakimi odznaczają się typowe pompy zębate w porównaniu z pompami wielotłoczkowymi. Ponadto w tym przypadku nie mamy możliwości regulowania wydatku, czyli ilości cieczy pompowanej w czasie jednego obrotu. W tym miejscu ujawniają się dwie podstawowe wady takiego rozwiązania:

• Sprawność pompy zębatej nie jest stała w całym zakresie obrotów, dlatego zazwyczaj takie pompy pracują przy stałych obrotach odpowiadających konkretnemu punktowi pracy, dla którego sprawność jest maksymalna.
• Regulowanie pompy wyłącznie obrotami silnika spalinowego wpływa na podwyższone zużycie paliwa.

Dlatego takie rozwiązania znajdziemy głównie w najmniejszych maszynach.

Rozwinięciem prostego hydrostatu jest zamiana pompy zębatej na taką, która umożliwia zmianę wydatku, czyli np. pompy wielotłoczkowej z wychylną tarczą lub wirnikiem. Budowa takiej pompy jest znacznie bardziej skomplikowana, a co za tym idzie - sama pompa jest dużo droższa. Pompy zębate można kupić już za kilkaset złotych, zaś najtańsze pompy o zmiennym wydatku, np. z wychylną tarczą, kosztują ok. 4-5 tys. zł. Głównym czynnikiem decydującym o cenie jest właśnie możliwość regulowania wydatku.

W przypadku pomp wielotłoczkowych z wychylnym wirnikiem wymaga to zastosowania specjalnej tarczy ze sferycznymi otworami pod kuliste łby tłoczków oraz kołyski odpowiedzialnej za wychylenie części korpusu. Wychył jest tu najistotniejszą sprawą, bowiem od stopnia wychylenia zależy pojemność komory, w której pracuje tłoczek, a co za tym idzie - również ilość oleju, jaką pompa będzie podawała na każdy swój obrót.

Regulacja wydatku i jej wpływ

Wymiana jednego z komponentów na taki, w którym możemy regulować wydatek niezależnie od obrotów pompy, a więc i napędu (silnika), pozwala na wyeliminowanie części wad rozwiązania z pompą zębata. Przede wszystkim, możemy zmieniać przełożenie (prędkość jazdy) wyłącznie za pomocą wychylania tarczy pompy, a zatem obroty silnika spalinowego możemy ustawić na stałym, ekonomicznym poziomie i zwiększać je tylko wtedy, gdy potrzebujemy więcej mocy. Jeżeli dołożymy do tego elementy automatyki (czujniki, komputer sterujący), maszyna może sama dostosowywać prędkość silnika i przełożenie przekładni zgodnie z wymaganiami operatora. Ponadto układ taki dysponuje znacznie większym ciśnieniem, a co za tym idzie - momentem obrotowym możliwym do uzyskania na kołach.

Zmienna chłonność silnika hydraulicznego umożliwia samoczynne dopasowanie się do warunków terenowych. Jeżeli podczas jazdy z ustaloną prędkością maszyna nagle trafi na grząski grunt, wzniesienie lub inną przeszkodę, która spowoduje zwiększone zapotrzebowanie na moment, silnik hydrauliczny sam dostosuje wychylenie tarczy tak, aby sprostać oporom.

Przeniesienie napędu na koła

Możemy spotkać rozwiązania, w których w każdym kole znajduje się motor zintegrowany w piastę. Napęd z silnika hydraulicznego może także trafiać na klasyczny most napędowy; wtedy jeden silnik napędza całą oś. Pomiędzy silnikiem a mostem może znaleźć się dodatkowy reduktor zwiększający zakres prędkości, w piastach mogą także być zainstalowane zwolnice. Również sama przekładnia może być wyposażona w kilka pomp zasilających, dzięki którym uzyskuje się kolejne zakresy pracy. Popularnym rozwiązaniem jest układ, w którym zarówno silnik, jak i pompa dysponują nastawnymi elementami, dzięki którym możemy regulować chłonność i wydatek.

W przypadku napędów hydrostatycznych na koła, za ruch odpowiada mechanizm różnicowy. Jest to standardowy element, który sprawia, że kręcąc jedną ośką ręką, druga kręci się w przeciwnym kierunku, co jest prawidłowe.

Zastosowanie napędu hydrostatycznego w maszynach

Na rynku nie brakuje maszyn wyposażonych w przekładnie hydrostatyczne w różnych konfiguracjach i różnego typu. Zdecydowanie największą grupą maszyn z przekładniami HST są wszelakie urządzenia transportu bliskiego, czyli: ładowarki różnych rozmiarów, wózki widłowe czy małe wozidła. Obok nich plasują się kombajny oraz sieczkarnie. Na podium znalazłaby się jeszcze spora grupa ciągników, ale o mniejszych mocach.

Nowoczesne kosiarki ogrodowe i traktorki ogrodowe to nie tylko mocne silniki i szerokie decki tnące. Jednym z kluczowych elementów decydujących o komforcie pracy, precyzji prowadzenia i trwałości całego układu napędowego jest przekładnia hydrostatyczna. Przekładnia hydrostatyczna to jeden z najważniejszych elementów nowoczesnych kosiarek - odpowiada za płynną jazdę, komfort operatora oraz efektywność pracy.

Zalety napędu hydrostatycznego w kosiarkach

Przekładnia hydrostatyczna to nowoczesne rozwiązanie w traktorkach ogrodowych, które znacząco poprawia komfort pracy operatora. Działa na zasadzie przekładni hydraulicznej, w której moment obrotowy jest przenoszony za pomocą cieczy hydraulicznej, a nie klasycznych zębatek i przełożeń. Do najważniejszych zalet należą:

• Niesamowity komfort pracy: Zwłaszcza jeżeli mówimy np. o kosiarce. Napęd hydrostatyczny zapewnia zarówno bardzo płynny i delikatny rozbieg maszyny, jak i wysoki moment obrotowy.
• Płynna i precyzyjna regulacja prędkości: Użytkownik ma możliwość płynnej regulacji prędkości jazdy bez konieczności zmiany biegów - wystarczy użycie jednego pedału lub dźwigni. Możesz dostosować tempo jazdy w czasie rzeczywistym, bez szarpania i przestojów, co jest ogromną zaletą podczas koszenia w zmiennych warunkach - np. na zboczu czy w gęstej trawie.
• Idealna do ciasnych przestrzeni: Skrzynia hydrostatyczna znakomicie sprawdza się w ogrodach z licznymi przeszkodami: drzewami, krzewami, rabatami, obrzeżami czy meandrującymi ścieżkami.
• Brak konieczności zmiany biegów: Przekłada się to na mniejsze obciążenie fizyczne i psychiczne operatora, zwłaszcza podczas dłuższej pracy.
• Hamowanie z odzyskiem energii: Hamowanie natomiast pozwala po części odzyskiwać energię, zmniejszając zużycie hamulców, jak i ułatwiać precyzyjne podjazdy maszyną do wyznaczonego miejsca.
• Możliwość znacznego obciążenia maszyny przy małych prędkościach: Jest to ważne przy pracach wymagających siły, ale niskiej prędkości.
• Proste zabezpieczenie przed przeciążeniem: Zabezpieczenie układu przed przeciążeniem jest bardzo proste, bowiem wystarczy wyposażyć układ w kilka zaworów maksymalnych, z czego przynajmniej jeden jest poza kontrolą użytkownika, toteż w praktyce dobrej przekładni HST nie da się przeciążyć.

Wady i ograniczenia napędu hydrostatycznego

Pomimo znacznego postępu w dziedzinie rozwoju konstrukcji pomp, kilkakrotnego wzrostu użytecznych ciśnień oraz znacznej automatyzacji nowoczesnych przekładni HST, fizyka pozostaje nieubłagana, a wady, jakie towarzyszyły pierwszym przekładniom, nie zniknęły całkowicie. Każdy napęd hydrostatyczny jest obarczony piętnem obniżonej sprawności związanej ze stratami podczas przepływu oleju. Do głównych wad należą:

• Obniżona sprawność i straty energii: Sprawność takiego układu jest silnie uzależniona od temperatury oleju.
• Ryzyko przegrzewania oleju: Przegrzanie przekładni HST może doprowadzić do unieruchomienia maszyny. Właśnie dlatego niezwykle istotnym elementem maszyny z napędem hydrostatycznym jest chłodnica oleju, która potrafi rozmiarami dorównywać chłodnicy cieczy chłodzącej silnik spalinowy.
• Większe zużycie paliwa: W porównaniu do przekładni mechanicznych, zwłaszcza w starszych konstrukcjach.
• Charakterystyczny dźwięk: Słychać go podczas pracy pompy na wysokich obrotach.
• Wrażliwość na jakość i stan oleju: Układ hydrauliczny ma dużą wrażliwość na jakość i stan oleju (czystość i parametry) oraz zapowietrzenie.
• Wyższe koszty serwisu i ewentualnych awarii: Układ hydrauliczny, choć trwały, wymaga odpowiedniego oleju, szczelności i konserwacji. Same pompy wielotłoczkowe są droższe w zakupie.

Konserwacja i znaczenie oleju hydrostatycznego

Wybierając maszynę z napędem hydraulicznym, musimy pamiętać, że olej, a więc wszystkie komponenty dbające o jego poprawne parametry (chłodnica, filtry, czujniki, zawory) są niezwykle istotne. Najistotniejszą rzeczą jest, oczywiście, sam olej - jego jakość i terminowa wymiana. Każdy producent przekładni czy maszyny może mieć własne zalecenia dotyczące interwału wymiany oleju hydrostatycznego. Na rynku dostępne są specjalistyczne produkty, takie jak np. Olej do przekładni hydrostatycznej TUFF TORQ 5W-50, które są dedykowane do tego typu układów. Duże opakowanie 3L pozwala na wykonanie pełnej wymiany oleju zgodnie z zaleceniami producentów przekładni. Prawidłowa praca całego układu zależy również od kondycji silnika, dlatego rekomenduje się regularne zadbanie również o właściwy olej silnikowy.

Napęd hydrostatyczny kontra przekładnia mechaniczna

Wybór między napędem hydrostatycznym a przekładnią mechaniczną to kluczowy dylemat, który wpływa na komfort koszenia, efektywność i trwałość sprzętu. Oba warianty mają swoje zalety i wady:

• Napęd hydrostatyczny (HST):
  • Zalety: Komfort operatora, intuicyjna obsługa, płynne manewrowanie, precyzyjna regulacja prędkości, idealny do ciasnych przestrzeni i zadań wymagających częstych zmian kierunku (koszenie, praca z ładowaczem czołowym).
  • Wady: Ograniczona wydajność przy dużym obciążeniu, ryzyko przegrzewania oleju, większe koszty serwisu i ewentualnych awarii. Trzeba jednak dodać, że zwykle oprócz przekładni HST ciągnik posiada mechaniczny reduktor o 2 lub 3 przełożeniach, dzieląc dostępne prędkości na wolne, normalne i szybkie.
• Napęd mechaniczny:
  • Zalety: Wysoka odporność na intensywną eksploatację, niższy koszt zakupu i serwisowania (prostsza konstrukcja), możliwość osiągnięcia wyższej prędkości jazdy, większa kontrola nad przełożeniami (dla doświadczonych użytkowników). Jest to lepszy wybór przy zadaniach generujących duże obciążenie dla maszyny, takich jak odśnieżanie, praca z glebogryzarką lub innymi implementami uprawowymi. Warunki wymagające dużej siły, wytrzymałości i efektywności przenoszenia mocy będą idealne dla skrzyni mechanicznej.
  • Wady: Ograniczona płynność regulacji prędkości - każda zmiana biegu wymaga użycia sprzęgła i zwykle zatrzymania pojazdu. Konieczność ręcznej zmiany biegów może być uciążliwa.

Często producenci oferują oba wersje. Na przykład ciągniki kompaktowe Kubota serii B2 dostępne są z mechaniczną skrzynią F9/R9 lub hydrostatyczną HST. Podobny wybór oferuje na przykład marka Kioti w serii CK. Wybór napędu powinien być dostosowany do charakteru codziennych zadań maszyny oraz oczekiwań użytkownika.

tags: #kosiarka #naped #hydrostatyczny