Skrzynia biegów Powershift w koparko-ładowarkach: budowa, działanie i diagnostyka

Skrzynia biegów jest kluczowym elementem w każdej maszynie budowlanej, takiej jak koparko-ładowarka, decydującym o efektywnym wykorzystaniu mocy silnika. Współpracując ze zmiennikiem momentu i mostami napędowymi, przekształca ona wysoką prędkość obrotową silnika w potężną siłę pchania lub wyższą prędkość transportową. Ewolucja skrzyń biegów w maszynach budowlanych, od legendarnych koparko-ładowarek JCB 3CX po gigantyczne ładowarki kołowe CAT, była kluczem do zwiększenia wydajności, komfortu i oszczędności.

Fundament wiedzy: moment obrotowy a prędkość

Aby zrozumieć rolę skrzyni biegów, należy poznać podstawową zależność: silnik spalinowy jest najbardziej wydajny w wąskim zakresie obrotów.

• Niski bieg (duże przełożenie): Maszyna porusza się wolno, ale ma ogromną siłę do pchania urobku lub wjeżdżania pod wzniesienia.
• Wysoki bieg (małe przełożenie): Maszyna porusza się szybko (np. podczas jazdy po drodze), ale ma niewielką siłę pchania.

Rodzaje skrzyń biegów w maszynach budowlanych

Skrzynia manualna

To najstarszy i najprostszy typ przekładni, dziś spotykany głównie w starszych maszynach lub w podstawowych wersjach wyposażenia. Składa się z kilku wałków z osadzonymi na nich kołami zębatymi o różnej liczbie zębów. Zmiana biegu polega na mechanicznym przesunięciu widełek, które z kolei przesuwają tuleję z synchronizatorem, zazębiając odpowiednią parę kół zębatych. W bardzo starych maszynach (np. historycznych modelach Fermec) stosowano skrzynie bez synchronizatorów (tzw. "crash box").

Zużycie sprzęgła ciernego w skrzyni manualnej, gdzie tarcza sprzęgłowa jest elementem eksploatacyjnym, objawia się "ślizganiem" - silnik wchodzi na obroty, a maszyna nie przyspiesza. W manualu jest inne przełożenie niż w Powershift, a manual to manual - tam nie ma się co zepsuć.

Skrzynia Powershift (semi-automatic)

Skrzynia Powershift, nazywana też semi-automatic, to najpopularniejszy typ przekładni w nowoczesnych koparko-ładowarkach i ładowarkach kołowych. To rozwiązanie wyeliminowało największą wadę skrzyni manualnej - konieczność zatrzymywania maszyny do zmiany biegu. W skrzyni Powershift nie ma tradycyjnego sprzęgła i synchronizatorów. Ich rolę przejęły hydraulicznie sterowane pakiety sprzęgłowe. Każdy bieg oraz kierunek jazdy (przód/tył) ma swój własny, dedykowany pakiet.

Budowa pakietu sprzęgłowego

Zespół ten składa się z naprzemiennie ułożonych:

• Tarcz ciernych (zewnętrznych): Stalowych płytek pokrytych specjalną, organiczną lub spiekaną okładziną cierną. Mają one zewnętrzne zęby, które blokują się w koszu sprzęgłowym.
• Przekładek stalowych (wewnętrznych): Gładkich, stalowych płytek z zębami wewnętrznymi, które są osadzone na wałku.

Zasada działania

Gdy operator wybiera bieg (dźwignią lub pokrętłem), elektrozawór kieruje ciśnienie oleju na tłok, który z ogromną siłą ściska odpowiedni pakiet tarcz. Tarcie między tarczami ciernymi a przekładkami sprawia, że cały pakiet zostaje zablokowany i zaczyna obracać się jako całość, przekazując napęd na wybrane koło zębate.

Najczęstsze awarie i przyczyny

Najczęstszą diagnozą jest "spalenie tarcz", co jest jednak tylko objawem. Przyczyną jest zawsze ślizganie się pakietu sprzęgłowego, do którego dochodzi z powodu zbyt niskiego ciśnienia docisku. Tarcie generuje ekstremalną temperaturę, która degraduje olej i pali okładziny cierne. Główne przyczyny niskiego ciśnienia i awarii to:

• Niski poziom lub stary, przepracowany olej: Podstawa wszystkich problemów. Olej był mocno ciemny przy spuszczaniu? Nie powinno być aż takiego spadku ciśnienia. Olej kolor normalny zapach też (nie czuć spalenizny) sitko czyste. Olej był wlewany Hyptron 10w. Doczytałem tu na forum, że w starszych modelach skrzyń koparek były zalewane olejem ATF II - jest jakaś różnica w tych olejach? Po wymianie na Hyptron chwilę było lepiej. Zawsze i wyłącznie należy stosować olej o specyfikacji zalecanej przez producenta maszyny (najczęściej klasy UTTO lub TO-4). Zastosowanie niewłaściwego oleju (np. ATF zamiast UTTO/TO-4) może doprowadzić do poważnej awarii.
• Zapchany filtr oleju skrzyni: Ogranicza przepływ i ciśnienie. Regularna wymiana na wysokiej jakości filtr, jak REDX, jest kluczowa.
• Nieszczelne uszczelnienia na tłoku sprzęgłowym: Zużyte, twarde uszczelnienia powodują wewnętrzny przeciek. Olej, zamiast dociskać tarcze, ucieka, powodując spadek ciśnienia i ślizganie.
• Awaria pompy ładującej skrzyni: Zużyta pompa nie jest w stanie wygenerować odpowiedniego ciśnienia do zasilania układu sterowania i zmiennika momentu.
• Zużyty konwerter: Może być już zużyty konwerter.

Diagnostyka Powershift

Profesjonalna diagnostyka polega na pomiarze ciśnień. Mechanik wpina manometry w specjalne porty pomiarowe na skrzyni biegów i sprawdza ciśnienie na poszczególnych sprzęgłach podczas załączania biegów. Zbyt niskie ciśnienie na jednym z pakietów jasno wskazuje miejsce wewnętrznej nieszczelności. Pomiar ciśnienia w punkcie pomiarowym obok cewek pokazuje 11 bar, ale spada dość gwałtownie przy zmianie biegów do 5 bar i po chwili znów jest 11 bar na każdym biegu, ale to chyba normalne. Nie powinno być aż takiego spadku ciśnienia. Na skrzyni są dwa korki na klucz 27. Pod jednym masz suwak ze sprężyną - wyjmij i wypoleruj. On utrzymuje te ciśnienie, które mierzyłeś. Bliżej silnika będzie drugi korek, a pod nim kulka i sprężyna. Ta kulka ustala maksymalne ciśnienie zmiennika. W Twoim roczniku ciśnienia nie zmierzysz, bo musiałbyś korek odkręcać z obudowy i wątpię, żeby Ci się to udało. Poza tym pomiar tamtego ciśnienia może nic Ci nie dać. Ewentualnie stall test się robi, żeby sprawdzić, ale najlepszym w Twoim przypadku byłoby wyjęcie skrzyni, jeśli jest duży problem, otworzenie i ocena, jak wyglądają kosze i tarcze, wałki i obudowy. Ogólnie pewnie na tym się skończy, czyli na wyciągnięciu skrzyni i jej rozebraniu. Póki co najmniej inwazyjne jest sprawdzenie tych śrub na klucz 27. Wymieniłem zmiennik w skrzyni, olej, filtr, przedmuchałem chłodnicę i delikatna poprawa jest, ale w moim przypadku jest jeszcze silnik do przejrzenia lub układ paliwowy, bo silnik jest słaby. Podczas jazdy 3 i 4 bieg jest trochę ospały, trzeba jej trochę obrotów do rozpędzenia, ale jak się bujnie, to już jakoś jedzie. Przy podjazdach na wzniesienia na 4 biegu obroty się utrzymują, ale prędkość spada. Od jakiegoś czasu nasila się słabe przełożenie mocy na koła koparki, tzn. przy załączonym 4x4 po wbiciu w urobek przodem na 1 biegu koła mielą, ale już na 2 biegu nie ma reakcji - obroty rosną, ale koła nie mają siły się obrócić.

Skrzynia Autoshift

Autoshift to ewolucja skrzyni Powershift. Zamiast manualnego wyboru każdego biegu, operator wybiera tylko kierunek jazdy, a elektroniczny sterownik (TCU) sam decyduje, kiedy zmienić przełożenie, podobnie jak w automatycznej skrzyni biegów w samochodzie.

TorqueLock

Największą wadą układu ze zmiennikiem momentu są straty mocy (poślizg), zwłaszcza podczas szybkiej jazdy transportowej. Zmiennik generuje wtedy niepotrzebne ciepło i zwiększa zużycie paliwa. System TorqueLock to dodatkowe, mechaniczne sprzęgło wewnątrz zmiennika momentu. Gdy maszyna osiągnie odpowiednią prędkość na wyższych biegach, sterownik hydraulicznie blokuje to sprzęgło. Tworzy w ten sposób bezpośrednie, mechaniczne połączenie 1:1 między silnikiem a skrzynią biegów, eliminując poślizg. TorqueLock jest produkowany od 2006 roku. Warto zauważyć, że część z producentów przy skrzyni Powershift oferuje automatyczną zmianę przełożeń oraz blokadę torque convertera na najwyższych zakresach prędkości. Takie udogodnienia znajdziemy w najnowszej ładowarce MLT 840 marki Manitou, we wszystkich sześciobiegowych modelach firmy JCB oraz w serii Agri Plus produkcji Dieci.

Awarie w skrzyniach automatycznych

Oprócz typowych awarii mechanicznych i hydraulicznych znanych z Powershift, w skrzyniach automatycznych dochodzą problemy z elektroniką:

• Awaria czujników prędkości: Uszkodzony czujnik obrotów na wale wejściowym lub wyjściowym wysyła do komputera błędne dane, co powoduje szarpanie, błędną zmianę biegów lub przejście w tryb awaryjny.
• Problemy z kalibracją: Po każdej większej naprawie skrzynia Autoshift wymaga kalibracji za pomocą komputera serwisowego, aby "nauczyć się" punktów załączania sprzęgieł.

Zmiennik momentu (przekładnia hydrokinetyczna)

Gwoli ścisłości - zmiennik momentu to nie sprzęgło, a przekładnia hydrokinetyczna. Od sprzęgła hydrokinetycznego różni się tym, że ma nieruchome koło łopatkowe (tzw. kierownicę), która służy do zmiany momentu przy przekazywaniu mocy z wału napędzającego na wał napędzany. Każdy powinien to wiedzieć, kto był na kursie. Jest możliwość sprawdzenia konwertera w jakiś sposób? (Czy jeśli podepnę zegar pomiarowy i wbije się w pryzmę i dam obroty, to ciśnienie np. spadnie?).

Hydrostatyczne przeniesienie napędu

W przypadku ładowarek o konstrukcji przegubowej prym zdecydowanie wiodą hydrostatyczne formy przeniesienia napędu na koła, natomiast do nielicznych wyjątków należą maszyny ze skrzynią typu Powershift. W dodatku przekładnie przełączane pod obciążeniem pojawiły się jedynie w większych maszynach z ramą łamaną, zaś w tzw. podwórzówkach w ogóle nie istnieją. Przy sztywnoramowych konstrukcjach proporcje między tymi dwoma rozwiązaniami są znacznie bardziej wyrównane. W wydaniu RPT 5/2013 pokazaliśmy rozwiązania napędu jezdnego w ładowarkach przegubowych.

Ładowarki o stałej ramie z hydrostatycznym przeniesieniem napędu

W porównaniu do maszyn przegubowych nie spotkamy tutaj już zębatej pompy jezdnej czy orbitalnych hydromotorów. Praktycznie jedynym obowiązującym typem olejowego układu jezdnego w telehandlerach jest centralna osiowa pompa wielotłoczkowa i centralny osiowy silnik wielotłoczkowy. Do wyjątku należą angielskie ładowarki JCB oraz niektóre maszyny marki AUSA. W modelach T133H i T144H hiszpańskiego producenta osiowa pompa wielotłoczkowa zasila olejem trzy szeregowo ze sobą połączone promieniowe silniki wielotłoczkowe. Jeden z nich napędza przedni most, zaś dwa pozostałe są zamocowane w tylnych kołach. W maszynach tych nie ma żadnych zakresów prędkości. Z kolei w ładowarkach: 520-40, 524-50 i 527-55 z rodziny Loadall firmy JCB centralna pompa podaje olej do czterech radialnych silników wielotłoczkowych zainstalowanych w kołach.

Zakresy prędkości w telehandlerach z hydrostatem

W telehandlerach z hydrostatem o klasycznej konstrukcji mamy najczęściej do czynienia z jednym bądź dwoma zakresami prędkości jazdy. W ładowarkach przegubowych występowały wyłącznie biegi hydrauliczne, czyli powiązane z wyborem przedziału chłonności hydromotoru. Niektóre maszyny ze sztywną ramą mają już mechaniczne skrzynie przekładniowe. W ofercie występują także ładowarki dysponujące kombinacją obu form przełączania biegów. Najczęściej są to maszyny o czterech przełożeniach: dwóch mechanicznych i dwóch hydraulicznych. Najlepiej, jeśli zakresy prędkości zmieniamy na postoju. Warto jednak zaznaczyć, że biegi hydrauliczne są mniej wrażliwe na zmianę w czasie jazdy. Dotyczy to jednak jedynie redukcji przełożenia, czyli zwiększenia zakresu chłonności hydromotoru. Przejście z biegu niższego na wyższy może wywołać zbyt gwałtowny przyrost ciśnienia w układzie i przy częstym stosowaniu odbić się negatywnie na jego podzespołach. Przełożenia mechaniczne lepiej zmieniać na postoju. Wyjątkiem jest włoska firma Merlo, która do niektórych modeli za dopłatą oferuje skrzynię Shift-on-the-Go, pozwalającą na bezpieczną zmianę zakresu prędkości jazdy podczas ruchu maszyny.

Przykłady modeli z hydrostatycznym napędem

• Jeden zakres prędkości jazdy: Merlo Panoramic P 25.6, Dieci Mini Agri 25.6, New Holland LM5020, AUSA T235H i T307H, Genie GTH 2506.
• Dwa hydrauliczne przełożenia: Claas, Deutz-Fahr, Weidemann, Thaler, Sauerburger, Cat, JLG, Genie, Manitou, Faresin, Giant, Liebherr.
• Dwa mechaniczne przełożenia: Merlo, Dieci, New Holland.
• Cztery kombinowane przełożenia: Bobcat, Massey Ferguson, Faresin.

W ładowarkach na sztywnej ramie zakresy prędkości jazdy, niezależnie od formy, zmieniane są elektrohydraulicznie: za pomocą przełącznika na desce rozdzielczej lub bocznym pulpicie, na dżojstiku bądź poprzez obrót dźwigni po lewej stronie kierownicy, odpowiedzialnej za zmianę kierunku jazdy. Wszystkie maszyny z hydrostatycznym przeniesieniem napędu mają funkcję inchingu. W większości ładowarek na sztywnej ramie operator do impulsowania wykorzystuje pedał oddziałujący także na hamulce kół. Wyjątkiem są maszyny marek: Merlo, Dieci, New Holland, Weidemann (tylko jeden model) i Liebherr.

Skrzynie mechaniczne w porównaniu do hydrostatycznych

Konkurencyjnym rozwiązaniem dla hydrostatu są skrzynie mechaniczne. O ile napęd olejowy daje większą precyzję jego dozowania, o tyle niewątpliwą zaletą tych drugich są: większa sprawność i lepsze parametry trakcyjne. Dlatego też ładowarki ze skrzynią mechaniczną polecane są w gospodarstwach, gdzie spora ilość ich prac przypada na polu, łące lub podczas ciągania przyczep czy podgarniania obornika na pryzmie. Jeśli zależy nam na przełączaniu biegów pod obciążeniem podczas jazdy, lepiej zdecydować się na skrzynię Powershift. Za jej wyborem przemawia także możliwość automatycznej zmiany przełożeń. W przeciwnym razie wystarczy standardowa skrzynia z zsynchronizowanymi biegami i elektrohydraulicznie obsługiwanym sprzęgłem głównym.

Dostępność prostych skrzyń mechanicznych

Proste skrzynie mechaniczne są aktualnie dostępne jedynie w maszynach firm: Manitou, JCB, New Holland i Cat. We wszystkich tych ładowarkach mamy cztery biegi do przodu i cztery do tyłu.

Różnorodność napędów Powershift

Większe zróżnicowanie występuje przy napędzie Powershift.

• Skrzynia 4/3: Dieci z rodziny Agri Plus, Agrovector 37.6 marki Deutz-Fahr oraz w serii TH firmy Cat.
• Przekładnia 4/4: JCB w serii Loadall typu Agri oraz New Holland w trzech największych modelach serii LM w wersji Plus.
• Skrzynie z sześcioma półbiegami do przodu i trzema do tyłu: Manitou, Deutz-Fahr i Cat.
• Skrzynie w układzie 6/6: jedynie JCB w rodzinie Loadall w wariantach: Agri Plus, Agri Super i Agri Xtra.

Zasadniczym mankamentem skrzyni Powershift jest brak inchowania. Do wyjątków należą: Manitou, Dieci i Deutz-Fahr. Dwie pierwsze firmy z bolączką przekładni z półbiegami poradziły sobie poprzez kontrolowaną regulację poślizgu w sprzęgłach odpowiedzialnych za zmianę przełożeń. Za precyzyjne dozowanie oleju w układzie odpowiadają sterowane proporcjonalnie elektrozawory.

Hybrydowe rozwiązania napędowe

Na rynku możemy znaleźć też ładowarkę, w której zastosowano hybrydę przekładni hydrostatycznej i Powershift. Takim rozwiązaniem pochwalić się mogą firmy: McCormick i Landini, należące do włoskiego koncernu Argo. W czerwonym lakierze maszyna wychodzi pod nazwą Tele-Trac, zaś jej niebieski brat nosi miano Powerlift. Ładowarki te wyposażone są w przekładnię E.V.T. (Electronic Variable Transmission).

Wybór skrzyni biegów w ładowarkach teleskopowych

Wybór skrzyni biegów jest bardzo ważnym parametrem, często pomijanym przy zakupie ładowarki teleskopowej. Ta pierwsza, w skrócie, działa jak przekładnia w typowych traktorach z dobrze znanymi funkcjami Powershift i Powershuttle - biegi zazębione są mechanicznie, a ich zmiana następuje przez sprzęgło sterowane elektrohydraulicznie (bez fizycznego pedału sprzęgła). Podobnie następuje zmiana kierunku jazdy. Najważniejszymi przewagami skrzyń mechanicznych nad hydrostatycznymi są m.in. siła uciągu, określana często przez użytkowników jako „moc na kołach” (to ważne w cięższym terenie), oraz możliwość bezproblemowego używania ładowarki w zastosowaniach transportowych - biegi zazębione mechaniczne pozwalają długotrwale ciągnąć przyczepy na dalekie odległości z wysokimi prędkościami.

Nowoczesne rozwiązania w koparko-ładowarkach CASE SV

Seria CASE SV została zaprojektowana jako platforma, którą można konfigurować. Do wyboru są trzy modele koparko-ładowarek: 580SV, 590SV i 695SV. Posiadają one różne typy ramion koparkowych (CASE DNA oraz IN-LINE), różne konfiguracje osi, w tym 4WS w modelu 695SV, oraz trzy rodzaje przekładni. W praktyce oznacza to możliwość dopasowania maszyny do realnego scenariusza pracy.

Silnik FPT Stage V

Sercem tej konstrukcji jest 3,6-litrowy silnik FPT spełniający normę Stage V. Oferuje od 98 do 110 KM i 460 Nm momentu obrotowego, zachowując charakterystykę pracy znaną z poprzedniej generacji. W czasach, gdy część producentów zwiększa pojemność jednostek napędowych, aby utrzymać parametry przy ostrzejszych normach emisji, CASE pozostaje przy 3,6 litra, co jest świadomym wyborem balansu między siłą a zużyciem paliwa. System Hi-eSCR2 został zaprojektowany specjalnie dla maszyn budowlanych. Dzięki temu spełnia normy Stage V bez pogorszenia mocy, spalania ani ryzyka zapychania się recyrkulacją spalin. To wszystko bez udziału EGR. Dodatkowo tryb ECO pozwala ograniczyć zużycie paliwa nawet o 10%, a funkcje Auto Idle i Auto Engine Shutdown redukują niepotrzebną pracę silnika podczas przestojów.

Hydraulika load-sensing

Prawdziwa wydajność zaczyna się w hydraulice. Seria SV wykorzystuje zamknięty układ hydrauliczny z pompą o zmiennym wydatku (load-sensing) - olej tłoczony jest tylko wtedy, gdy maszyna faktycznie wykonuje ruch. To oznacza mniejsze obciążenie silnika, niższe spalanie i mniejsze nagrzewanie oleju. Standardowe ciśnienie robocze w części koparkowej to 205 bar - wartość celowo dobrana pod kątem trwałości, a nie maksymalnej agresywności. W razie potrzeby dostępne są:

• Power Boost: chwilowo ~240 bar (+ ok. 15 % mocy hydraulicznej).
• Power Lift: + ok. 15 % udźwigu w precyzyjnych operacjach.

Hydrauliczny przesuw boczny wysięgnika i zintegrowane szybkozłącze (w wersji CASE DNA) pozwalają pracować przy ścianach i zmieniać osprzęt bez wychodzenia z kabiny.

Opcje przekładni w CASE SV

Do wyboru są trzy opcje przekładni:

• Powershuttle: klasyczna, manualna zmiana kierunku.
• Powershift: automatyczna zmiana biegów.
• Powershift Direct Drive: najefektywniejsze przekazywanie mocy przy wyższych prędkościach, mniejsze straty i niższe spalanie podczas dojazdów. Direct Drive szczególnie dobrze sprawdza się przy robotach liniowych i drogowych, gdzie dużo jeździ się po placu budowy.

Komfort kabiny

Kabina serii SV oferuje:

• Poziom hałasu wewnątrz zaledwie 74 dB.
• Pełną klimatyzację.
• Radio z Bluetooth.
• Niezależne otwieranie szyb (górną szybę można otworzyć bez otwierania drzwi).
• Do 10 świateł roboczych LED.
• Wydech poprowadzony wzdłuż boku kabiny, co zapewnia lepszą widoczność i mniejsze nagrzewanie operatora.

To detale, które przez cały dzień pracy realnie zmniejszają zmęczenie.

Ładowarki teleskopowe CAT

Ładowarki teleskopowe CAT to kilka modeli o wysięgu 7-10 metrów oraz udźwigu 3,5-4 tony. Wszystkie są podobne konstrukcyjnie i posiadają te same zalety. Mechaniczne skrzynie biegów 6×3 (z Powershift i Powershuttle, czyli zmiana biegów i kierunku jazdy następuje bez użycia pedału sprzęgła) w połączeniu z maksymalną prędkością 40 km/h sprawiają, że ładowarki CAT idealnie sprawdzają się w pracach transportowych z przyczepami rolniczymi. Szczególnie że standardowym wyposażeniem są hamulce na obie osie. Ładowarki CAT napędzane są oryginalnymi silnikami Caterpillar. Hydraulika w ładowarkach CAT to najwyższa półka - używamy tylko pomp wielotłoczkowych o zmiennym wydatku marki BOSCH Rexroth. Maszyny są standardowo wyposażone w ważne elementy wpływające na trwałość i długowieczność, m.in. odwrotny ciąg wentylatora oczyszczającego chłodnicę i komorę silnika, amortyzator dobiegu wysięgnika, zwiększona średnica osi oraz duży prześwit. Trwałość i solidność maszyny to jedno, ale regułą w CAT jest dbałość o komfort użytkownika, który często spędza w niej wiele godzin dziennie.

Pytania kontrolne przed zakupem koparko-ładowarki

Wybór koparko-ładowarki nie powinien opierać się głównie na mocy zapisanej w broszurze ani na najniższej cenie z oferty. Kluczowe jest zrozumienie, jak dana maszyna została zaprojektowana i do jakich realnych warunków najlepiej pasuje.

• Czy potrzebujesz maksymalnej elastyczności (usługi) czy specjalizacji?
• Czy hydraulika ma load-sensing i Power Boost?
• Czy oczyszczanie spalin jest bez EGR i bez wzrostu spalania?
• Czy kabina ma niski hałas i wygodne otwieranie szyb?
• Czy Direct Drive jest dostępny, jeśli dużo jeździsz?

CASE 580SV to jedna z najbardziej przemyślanych propozycji w klasie właśnie dlatego, że stawia na balans, trwałość i realne dopasowanie, a nie na marketingowe „największe” i „najmocniejsze”.

tags: #powershift #koparko #ladowarka