Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Doktori Tanácsa
Doktori Tézisfüzet
Írta: Farkas Zsolt József, okleveles gépészmérnök
Teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóművek analízise és szimulációja című témakörből, amellyel a PhD fokozat elnyerésére pályázik
Témavezető: Dr. Kerényi György, egyetemi docens
Budapest 2013
1. Bevezetés A műszaki gyakorlatban alkalmazott hajtások feladata az erőgép és a munkagép összekapcsolása, üzemi jellemzőik összehangolása és az energia továbbítása. Az üzemi jellemzőket, mint a mozgásforma, a mozgási frekvencia, az erő illetve a nyomaték, általában a munkagép igényeihez kell illesteni. A gyakorlatban a legtöbb munkafolyamat alatt a munkagép által igényelt vagy az erőgép által szolgáltatott üzemi jellemzők külön vagy akár egyszerre is változhatnak. Az optimális üzemű erőgép – munkagép kapcsolat fenntartása megköveteli a rendszer által meghatározott tartományon belül a hajtásáttételek számának növelését és ezen áttételek munkafolyamat alatt történő módosításának lehetőségét. A fokozatmentes áttétel-módosítású hajtóművek (CVT - Continuously Variable Transmission) ezeket a követelményeket egyszerre teljesítik, ezért ideálisak az erőgép – munkagép kapcsolat létrehozására. A fokozatmentes hajtóműegységet kétféle módon lehet beépíteni egy hajtásláncba. Az egyik mód közvetlenül a teljesítményfolyamba (1.a ábra) való beépítés. A nagyobb áttételi tartomány eléréséért ebben az esetben gyakran egy másik hajtóművel sorba kapcsolt rendszert hoznak létre. A másik mód egy teljesítményelágaztatással létrehozott ágba történő beépítés (1.b, 1.c ábra). Az így létrehozott teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóműveket további két csoportra osztjuk. Az egyik csoportot egyszeres- (1.b ábra), a másikat többszörös teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóműveknek (1.c ábra) nevezzük.
a, közvetlen beépítés
b, egyszeres teljesítmény elágazás
c, többszörös teljesítmény elágazás
1. ábra. A fokozatmentes hajtóműegység (CVT) hajtásláncba történő beépítésének lehetőségei (sematikus ábrák)
Az emelkedő energiaárak és az egyre szigorúbb emissziós előírások gazdaságos és környezetbarát energiafelhasználású rendszerek üzemeltetését igénylik. A mezőgazdasági, kommunális, ill. erdészeti célokra is használt univerzális traktorok sokoldalú alkalmazhatósága megköveteli, hogy különféle munkaműveleteknél (pl. talajmunkák, szállítási munkák) a meghajtó motor, a hajtómű és a munkagép rendszer optimális paraméterek mellett üzemeljen. A disszertáció a nagyteljesítményű univerzális traktorokban alkalmazott egyszeres teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóművek analízisével és szimulációjával foglalkozik. Az elemzések célja a hajtóművek hatásfokának, üzemeltetési jellemzőinek vizsgálata, továbbá a hajtáslánc paraméterei közül azon motorfordulatszám – hajtómű áttétel párok meghatározása, amelyek egyszerre biztosítják a jármű adott sebességgel történő haladása mellett, a hajtómű jó hatásfokú és a belső égésű motor alacsony hajtóanyag fogyasztású tartományban történő üzemeltetését.
1
2. A szakirodalom áttekintése, elemzése Az első fokozatmentes hajtóművet Leonardo DaVinci vázolta fel 1490-ben [1]. Azóta kifejlesztettek több mechanikus, hidraulikus, pneumatikus és elektromos fokozatmentes hajtást is, amelyeket széles körben használnak az ipar legkülönbözőbb területein pl.: megmunkáló gépekben, szélerőművekben, járművekben, erőgépekben. A mezőgazdasági erőgépeken belül a traktor kulcsszerepet játszik, mivel a legsokoldalúbb felhasználási, alkalmazási lehetőséggel rendelkezik. A különböző mezőgazdasági tevékenységek, mint például a talajmunkák, a TLT (teljesítmény leadó tengely) vagy hidrosztatikus hajtású munkagépek üzemeltetése, a homlokrakodási műveletek vagy a szállítási feladatok széles spektrumú, univerzális, mindegyik alkalmazáshoz optimális üzemeltetési paramétereket biztosító hajtásláncot igényelnek. A hajtáslánc központi eleme a váltómű, amellyel a motor fordulatszámát és nyomatékát az adott feladathoz illeszkedő optimális munkasebesség és vonóerő értékre lehet módosítani. A járószerkezet hajtása mellett biztosítania kell a motor teljesítményének elágaztatását is egyéb munkaszervek (pl.. TLT, hidraulika) meghajtása érdekében. Ezekből adódóan a váltómű a traktor legfontosabb és egyben a legköltségesebb része, a gép árának 25-30 %-át is elérheti [2]. A mezőgazdasági erőgépek hajtásláncának részletes elemzéséhez összegyűjtöttem a beépített belső égésű motor jellemzőit és a motor – váltómű illesztés speciális igényeit. A traktorok fokozatmentes váltóműveinek fejlesztése elsősorben mechanikus láncos variátorokra és a hidrosztatikus hajtóművekre irányultak. Ezért részletesen elemeztem a szakirodalomban megtalálható és a fejlődés szempontjából meghatározó tíz mechanikus [3], [4], [5], [6], [7] és tizenkettő hidrosztatikus [4], [8], [9], [10], [11], [12] hajtómű konstrukciót. Az erőgépek fokozatmentes hajtóműveire irányuló vizsgálatokat a fejlesztő cégek, üzemeltetők mellett egyetemek és mezőgazdasági gépvizsgálatokra specializált laboratóriumok is végeztek. Az utóbbi két évtizedben jelentős aktivitás tapasztalható az erőgépek fokozatmentes hajtóműveinek vizsgálatainál. Áttekintettem a saját kutatás megkezdése előtti [4], [13], [14], [15], [16], [17] [18] [19], [20] és a kutatómunkával párhuzamosan folyó [21], [22], [23], [24] publikált hazai és nemzetközi vizsgálatokat. Az üzemeltetési és vizsgálati eredmények alapján megállapítható, hogy a fokozatmentes hajtóművet tartalmazó hajtásláncok nem minden esetben nyújtanak egyértelmű előnyöket, sőt esetenként háttérbe is szorulnak a terhelés alatt kapcsolható diszkrét áttételű (PowerShift ) hajtóművekkel szemben.
3. A kutatás célkitűzései A mezőgazdasági erőgépekben alkalmazott teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóművek felépítésének ismeretében, továbbá a publikált vizsgálati eredmények elemzése alapján az alábbi kutatási célokat határoztam meg: - A sorozatban gyártott és az irodalmi összefoglalóban bemutatott prototípus hajtóművek strukturális rendszerezése alapján az alapstruktúrák teljesítményfolyamának vizsgálata, viselkedésük modellezése és a kedvező üzemeltetési tartományok meghatározása. - A hajtóműben fellépő veszteségek részletes elemzése alapján – a szakirodalomban megtalálható ajánlások figyelembe vételével – a kimeneti és a bemeneti kapcsolású struktúrákat felépítő alap hajtóműelemek továbbfejleszthető, szimulációs modelljeinek létrehozása. A rendszerek vizsgálata, elemzése veszteségmentes és a veszteségeket figyelembe vevő üzemmód esetén is. 2
- Az egy és több sebességtartományú teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtómű modellezése, összhatásfok-változásának meghatározása a teljes üzemeltetési tartományban. A több sebességtartományú hajtóműben a tartományváltási folyamat hatásfokváltozásának elemzése, vizsgálata. - A belsőégésű motor és a fokozatmentes hajtómű együttes vizsgálata, a legalacsonyabb hajtóanyagfogyasztáshoz és legmagasabb hajtóműhatásfokhoz, tartozó üzemeltetési paraméterek meghatározása. - A sorozatban gyártott fokozatmentes hajtóművel felszerelt erőgéptípusok műszaki jellemzőinek összegyűjtése és rendszerezése a beépített hajtóművek típusai alapján. - A PowerShift hajtóművel és a fokozatmentesen állítható áttételű hajtóművel szerelt traktorok összehasonlíthatósága céljából egy vizsgálati módszer kidolgozása, amely az elvégzett vizsgálatoknál pontosabban alkalmas a hajtásláncok teljes körű összehasonlítására. A kidolgozott módszer alapján kísérleti vizsgálatok elvégzése, az eredmények értékelése, értelmezése, az alkalmazási előnyök és a hátrányok megállapítása, az optimális üzemeltetési paraméterek meghatározása.
4. A kutatás módszerének és eszközének ismertetése A vonatkozó szakirodalom áttekintése, a vizsgálati tapasztalatok, továbbá a meghatározott célkitűzések alapján a kutatás módszerét elméleti (szimulációs) és kísérleti, méréseken alapuló (laboratóriumi és szántóföldi) vizsgálatokra alapoztam. A MiL (Model-in-the-loop) alapú szimulációs vizsgálatokat a hajtómű minden elemi hajtáskomponensének modelljére lebontva, majd a teljes, összeépített hajtóműegység modelljén is végrehajtottam. Az elemzéseket az egy és a több sebességtartományú hajtóműveken is elvégeztem. A vizsgálatokat kibővítettem a belsőégésű motor – fokozatmentes hajtómű kapcsolat szintjére is. Az optimális üzemeltetési paraméterek meghatározására fuzzy alapú CFM (Corrected Fuzzy Mean) eljárást használtam. A laboratóriumi mérések során a traktorokba épített motorok teljesítmény- és hajtóanyag fogyasztásjellemzőit határoztam meg. A vizsgálatokat a Sigma 5 mobil és a SCHENK W-400 típusú stabil örvényáramú vizes fékpaddal, továbbá a PIERBURG PLU-116H hajtóanyag fogyasztásmérővel, az OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) CODE I. előírásai szerint, a traktor teljesítmény leadó tengelyén történő szabványos fékezéssel hajtottam végre az MGI (Mezőgazdasági Gépesítési Intézet) laboratóriumában. A szántóföldi vizsgálatra egy többszintű vizsgálatsorozatot állítottam össze, melynek két alapszintje a traktor vontatási, illetve a traktor-munkagép vizsgálatok. A méréseket a Dél-Pest Megyei Mezőgazdasági Rt. Cegléd Cifrakerti kerületében 2003. június 22-25, illetve 2007. október 9-19 között hajtottuk végre. A vontatási vizsgálatot sík fekvésű, lejtőtől és emelkedőtől mentes vályogtalajú gabonatarlón, az OECD módszer alapján készült MGI házi szabvány (MGI SZ 39-1-321) szerint végeztük el. A munkagépes vizsgálatok közül a szállítási vizsgálatot sík területű aszfalt burkolatú mérőpályán, terheletlen traktoron, valamint egy kéttengelyes 7 tonna össztömegű HW 8011 típusú pótkocsit vontatva hajtottam végre.
3
A 2003. június 22-25 közötti méréseket Case IH CS 150 és Case IH CVX 150 típusú traktorokon végeztem el. Az erőgépek névleges motorteljesítménye megegyezett (Pnévl.=108 kW), felszereltségük közel azonos volt és csak a hajtóműveik különböztek. A Case IH CS 150 egy SYNCROMESH 4 csoportú elektrohidraulikus vezérlésű PowerShift váltóval rendelkezett. A Case IH CVX 150 traktorba a Steyr cég S-Matic hidrosztatikus-mechanikus négy sebességtartományú teljesítmény elágazásos fokozatnélküli váltója került beépítésre. Az erőgépek eltérő tömeg, illetve tengelyterhelés értékeit pótsúlyozással azonosra állítottam be (mellső 2800 kg, hátsó 4120 kg). Mindkét erőgépet ugyanazzal az abronccsal (mellső 540/65R28, hátsó 18,4R38) és azonos értékre beállított abroncsnyomással mértem (mellső 1,2 bar, hátsó 1,0 bar). A 2007. október 9-19 közötti méréseket Case IH Puma 195 és Case IH CVX 195 típusú traktorokon hajtottam végre. A gépek eltérő tömeg és abroncsmérete miatt ezeket a méréseket nem a közvetlen összehasonlítás, hanem a hajtáslánc jellemzőinek további feltárására, igazolása céljából végeztem el. A kutatást az ENTAM (European Network for Testing of Agricultural Machines), azaz a Mezőgazdasági Gépminősítő Intézetek Európai Hálózatának hazai tagjával az MGI-vel közösen végeztem. A vizsgálatok során felhasználtam az MGI és a BME laboratóriumait, berendezéseit. A szimulációs vizsgálatokat a Pro/ENGINEER, a Matlab és a Matlab SIMULINK rendszerekben végeztem el.
5. A vizsgálatok eredményei A szimulációs vizsgálatokhoz először a hajtómű alapelemeit a hengeres fogaskerékhajtást, a bolygóművet, a csapágyazást és a fokozatmentes egységet modelleztem. A célkitűzéseknek megfelelően az alapelemeken fellépő veszteségeket is részletesen elemeztem. A bemeneti kapcsolású (IC – Input Coupled) illetve kimeneti kapcsolású (OC – Output Coupled) egyszeres teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóműstruktúrák esetén meghatározásra kerültek a fordulatszám áttételek és a teljesítményfolyamok. A hatásfok pontos elemzése és számítása szempontjából a szakirodalmakban szereplő három üzemállapotot PS (Power Split), +PC (+Power Circulation), -PC (-Power Circulation) kiegészítettem még további két üzemállapot vizsgálatával is, a hajtómű álló kihajtó tengelyéhez tarozó GN (Geared Neutral), továbbá a PVar=0 PV0 üzemállapottal, amikor a fokozatmentesen változtatható áttételű ágon nem folyik teljesítmény. Az egy sebességtartományú hajtóművek közül az OC-RSC struktúrájú (2.a ábra) hajtóművet modelleztem. Az OC és az IC struktúrák közötti különbségek feltárása érdekében a Fendt Vario hajtómű paramétereit (ZS=50, ZR=110, iC1=-3, iC2=-1) felhasználva elemzésre került a hajtómű tükörképe az IC-RSC struktúra (2.b ábra) is. A 3. ábra állandó bemenő fordulatszám (nIN = 1900 1/min) mellett a hajtómű összhatásfokának változását mutatja a kimenő fordulatszám függvényében a fogazati, a fokozatmentes egység és a csapágyazás hatásfokának figyelembe vételével. A 4. ábra állandó bemenő fordulatszám (nIN = 1900 1/min) esetén, különböző fokozatmentes hajtómű hatásfokok mellett mutatja a hajtómű összhatásfokának változását a kimenő fordulatszám függvényében.
4
i var
i var 1
2
V
PIN
POUT
1
2 ib
ib R C
ic 1
ic 1
ic 2
R
ic 2
C
PIN
POUT S
S
b, IC-RSC struktúrájú hajtómű a, OC-RSC struktúrájú hajtómű 2. ábra. Egy sebességtartományú fokozatmentes hajtóművek
1,0
1,0 0,9
0,9 Hatásfok [-]
Hatásfok [-]
0,8
0,8
0,7 0,6
0,7 - PC
PS
+ PC
0,5 - PC
PS
-4500
-3500
-2500
0,6 -500
-1500
Kimenő fordulatszám [1/min]
500
1500
-6500
-4500
+ PC
0,4 -500
-2500
1500
3500
Kimenő fordulaszám [1/min] GN
GN
a, OC-RSC struktúrájú hajtómű b, IC-RSC struktúrájú hajtómű 3. ábra. A hajtóművek összhatásfokának változása a hajtómű kimenő fordulatszámának függvényében (nIN = 1900 1/min, ηVar=0,87) η var=0,95
η var=0,90
H η var=0,85
η var=0,80
η var=0,75
1,0
1,0
0,9 0,8
Hatásfok [-]
Hatásfok [-]
0,9
0,8
0,7 0,6
0,7 - PC
-4500
-3500
-2500
PS
-1500
+ PC
0,5
- PC
+ PC
0,4
0,6 -500
Kimenő fordulatszám [1/min]
PS
500 GN
1500 -6500
-4500
-2500
-500
1500
3500
Kimenő fordulatszám [1/min] GN
a, OC-RSC struktúrájú hajtómű b, IC-RSC struktúrájú hajtómű 4. ábra. A fokozatmentes hajtómű összhatásfokának változása állandó hidrosztatikus hajtóműhatásfokok esetében a hajtómű kimenő fordulatszámának függvényében (nIN = 1900 1/min)
5
A több sebességtartományú teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtómű szimulációs vizsgálatait az IC-SRC struktúrájú, négy sebességtartományú hajtóművön hajtottam végre. Az elemzésekhez a Steyr S-Matic hajtómű adatait használtam fel (5. ábra).
5. ábra. A Steyr Antriebstechnik S-Matic hajtóműve [13] A Matlab SIMULINK rendszerben létrehozott dinamikai modellen vizsgálatot végeztem a jármű álló helyzetéből indulva, mind a négy sebességtartományba való felkapcsolással gyorsítva, majd visszakapcsolva a jármű megállásáig. A vizsgálat során a hajtóműelemek fordulatszámainak változása a 6. ábrán, a hajtóműelemekre jutó terhelések változása az idő függvényben a 7. ábrán látható. A hajtómű analitikus számításokon alapuló összhatásfokának változását a négy sebességtartományban a 8. ábra szemlélteti. A változtatható áttételű elem hatásfoka η Var =0,95 és η Var =0,75 értékkel lettek figyelembe véve. A hajtómű legjobb hatásfoka a harmadik sebességtartományban van a motorfordulatszámától függően 15-25 km/h közötti járműsebességnél. 4000 3000
Fordulatszám [1/min]
2000 1000 Motor Hidro-motor K1 tengelye
0 -1000
K2 tengelye K3 tengelye K4 tengelye Kihajtó tengely
-2000 -3000 -4000 -5000 -6000 -7000 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Idő [sec]
6. ábra. A vizsgált IC-SRC struktúrájú, négy sebességtartományú hajtómű dinamikai vizsgálatának fordulatszám diagramja (nIN=2580 1/min) 6
400 350 300
Nyomaték [Nm]
250
150
Motor Hidro-motor K1 kapcsoló
100
K2 kapcsoló K3 kapcsoló
200
K4 kapcsoló Kihajtó tengely
50 0 -50 -100 -150 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Idő [sec]
7. ábra. A vizsgált IC-SRC struktúrájú, négy sebességtartományú hajtómű dinamikai vizsgálatának terhelésdiagramja (TOUT=100 Nm) 1,00
0,95
Hatásfok [-]
0,90
0,85
0,80
0,75 1. seb. t.
2. seb. t.
3. seb. t.
4. seb. t.
0,70 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Haladási sebesség [km/h]
8. ábra. A vizsgált IC-SRC struktúrájú hajtómű összhatásfokának változása a négy sebességtartományban (nIN=2300 1/min) Az optimális hajtáslánc-paramétereket a Case IH 195 Puma traktorba épített, 667TA/EBC (Cummins) típusú dízelmotor és a Steyr S-Matic hajtómű összekapcsolásával létrejött hajtásláncon határoztam meg. A hajtáslánc paraméterei közül azokat a motorfordulatszám és hajtómű áttétel-párokat kívántam meghatározni, amelyek egyszerre biztosítják a célértékek, mint a jármű adott sebességgel történő haladása mellett a hajtómű jó hatásfokú és a belső égésű motor alacsony hajtóanyag fogyasztású tartományban történő üzemeltetésének elérését. A járműsebesség értékét a mezőgazdasági talajmunkáknál legtöbbet használt 8 km/h-ra állítottam be. A fuzzy alapú CFM eljárásra alapozott kiértékelés meghatározta azon motorfordulatszám és hajtómű áttétel paraméterek tartományát (9. ábra lilával jelölve), amelyekre a megadott célértékek legjobban teljesülnek. 7
9. ábra. CFM értékek a motorfordulatszám és hajtómű áttétel függvényében A Case IH CS 150 és Case IH CVX 150 típusú traktorokon végrehajtott vontatási vizsgálatok eredményeit a 1. és a 2. táblázatok tartalmazzák. A jobb összehasonlítás érdekében, a CASE IH CS 150 traktor egyes sebességfokozataiban mért maximális vontatási teljesítményekhez tartozó haladási sebesség és vonóerő értékeknél meghatároztam a CASE IH CVX 150 traktor maximális vontatási teljesítményéhez tartozó vontatási jellemzőit is. Az eredmények alapján – a hajtáslánc továbbá a gördülési és a csúszási veszteségeket is figyelembe véve – a fokozatmentes hajtóművel rendelkező erőgéppel jobban kihasználható a motor adott motorfordulatszámon elérhető maximális teljesítménye. 1. táblázat. A CASE IH CS 150 traktor vontatási jellemzői az egyes sebességfokozatokban mért maximális vontatási teljesítménynél Kerék- MotorSor- Sebesség Haladási Vonóerő Vontatási teljesítmény csúszás fordulatszám fokozat sebesség szám [km/h] [kW] [%] [1/min] [kN]
Lokális max. TLT teljesítmény [kW]
Lokális telj. kih. tényező [kW/kW]
1 2
II/1 II/2
4,0 4,8
32,9 31,9
37,0 42,1
24,9 24,9
2323 2318
88,8 90,1
0,416 0,467
3
II/3
5,7
32,0
50,8
23,2
2251
92,8
0,547
4
II/4
7,4
27,1
55,9
15,5
2216
94,5
0,591
5
III/2
8,7
23,7
57,4
12,2
2239
93,5
0,614
2. táblázat. A CASE IH CVX 150 traktor vontatási jellemző, az egyes tempomat fokozatokban mért maximális vontatási teljesítménynél Sor- Sebesség Haladási Vonóerő Vontatási Kerék- Motorszám fokozat sebesség teljesítmény csúszás fordulatszám [km/h] [kN] [kW] [%] [1/min]
8
Lokális max. TLT teljesítmény [kW]
Lokális telj. kih. tényező [kW/kW]
1 2
T1 T2
4,0 4,6
39,5 38,2
43,5 49,1
28,4 28,6
2192 2151
96,9 95,7
0,448 0,513
3
T3
6,0
35,5
59,5
25,7
2055
99,8
0,596
4
T4
8,9
28,0
68,9
12,1
2047
100
0,689
A PowerShift és a fokozatmentes hajtóművet tartalmazó hajtásláncok közötti különbségek feltárására, elemzésére Visual Basic környezetben kifejlesztettem egy szimulációs programot (10. ábra), amely a szállítási vizsgálat során mért adatok feldolgozásán, ábrázolásán túlmenően alkalmas egyéb paraméterek, mint a megtett út, az elfogyasztott üzemanyag mennyiség, továbbá a hajtómű áttétel számítására is.
10. ábra. A CVT-PowerShift Simulator (v 1.6) program kezelőfelülete
A CVT-PowerShift Simulator által szolgáltatott eredmények alapján, a szállítási vizsgálat adatait önvontatás és pótkocsi vontatása esetén 3. táblázat tartalmazza. 3. táblázat. A szállítási vizsgálat adatai Önvontatás Sorszám
Traktor típus
Pótkocsi vontatás
Szabályozó állás
Haladási sebesség
Idő [s] 17 18,1
0,130 0,134
Fogyasztás Haladási sebesség 3 [dm ] [km/h]
Idő
Fogyasztás
[s]
[dm3]
33,5 39,1
22,4 10,7
0,138 0,069
1 2
CASE IH CS 150 CASE IH CVX 150
0
[km/h] 42,1 50,0
3
CASE IH CVX 150
0
42,1
13,2
0,095
33,5
7,6
0,045
4
CASE IH CVX 150
10
52,0
17,5
0,131
39,3
12,8
0,071
5
CASE IH CVX 150
10
42,1
10,4
0,088
33,5
9,2
0,047
Az eredmények alapján a CASE IH CVX 150 traktor alacsonyabb hajtóanyag fogyasztásának legfőbb oka az állandó motorfordulatszámon megvalósítható fokozatmentes áttétel-változtatás és az alkalmas időpontban végrehajtott motorfordulatszám csökkentés. A szállítási műveletek mellett, a rövid ideig tartó, nagy gyorsulásokat tartalmazó rakodási műveleteknél is előnyösen használhatók a fokozatmentes hajtóművel szerelt erőgépek. 9
6. Új tudományos eredmények 1. Tézis [F1], [F2], [F3], [F7], [F8], [F11], [F12], [F14], [F15], [F16], [F17], [F18] Kidolgoztam egy új vizsgálati módszert, amely a motorfékezési, a vontatási és a munkagépes vizsgálatokból felépülő laboratóriumi- és szántóföldi mérések, továbbá a kinematikai, a dinamikai és a CAD modellekre épített szimulációs vizsgálatok eredményeit egyszerre felhasználva alkalmas az egy és több sebességtartományú, egyszeres teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóművek üzemállapotainak szimulációjára, működési paramétereinek elemzésére. A módszer alkalmazhatóságát egy sebességtartományú OC-RSC és IC-RSC, valamint négy sebességtartományú IC-SRC struktúrájú hajtóműveken végzett vizsgálatokkal igazoltam.
2. Tézis [F12], [F15], [F18] A primer és szekunder szabályozású (szivattyúként nem üzemelő motorral felszerelt) fokozatmentes hidrosztatikus egységgel ellátott OC-RSC struktúrájú hajtóműben (ZS=50, ZR=110, iC1=-3, iC2=-1 paraméterek alapján) az üzemszerű működtetést tekintve teljesítmény elágazásos és pozitív keringő teljesítményű üzemállapotok jönnek létre. A hajtómű összhatásfokát a kihajtó tengely forgásának kezdetekor a hidrosztatikus egység hatásfoka határozza meg. A hidraulika szivattyút a nulla szögállású helyzetből (iVar = - ∞) egyre nagyobb negatív szögállásba billentve (- ∞ < iVar) a hajtómű összhatásfoka – a növekvő fordulatszámok miatti veszteségnövekedés és a létrejövő egyre nagyobb pozitív keringő teljesítmény miatt – egyre növekvő mértékben csökken. Ezért ezt a hajtóművet ebben az áttételi tartományban nem gazdaságos üzemeltetni.
3. Tézis [F9], [F13], [F14], [F15], [F16], [F17], [F18] A primer szabályozású hidrosztatikus egységgel ellátott IC-SRC struktúrájú hajtóműnél a kedvező hatásfok biztosítása érdekében a hidrosztatikus egység áttételi tartományát korlátozni kell, ezért több (a vizsgált esetben négy) sebességtartományú hajtóműre van szükség. Megállapítottam, hogy ennél a hajtóműnél üzemszerű működtetés esetén teljesítmény elágazásos és negatív keringő teljesítményű üzemállapotok jönnek létre. A hidraulika szivattyú azonos mértékű, de ellentétes irányú szögállásához tartozó összhatásfok eltérés oka a hajtóműben fellépő negatív keringő teljesítményből származó veszteség és a teljesítmény elágazásos üzemállapotból származó veszteség különbsége. A tartományváltások határain az összhatásfok változásában szakadás és értékváltozás jelentkezik, amit a teljesítmény elágazásos és a negatív keringő teljesítményű üzemállapot közötti váltás és a tartományváltás után a különböző hatásfokú hajtómű részegységekben történő teljesítményáramlás okoz.
10
4. Tézis [F16], [F20] A Cummins 667TA/EBC típusú dízelmotor és a Steyr S-Matic hajtómű mérési eredményeinek felhasználásával, fuzzy alapú CFM módszert alkalmazva meghatároztam az adott járműsebesség, a magas hajtóműhatásfok és az alacsony fajlagos hajtóanyag-fogyasztás célértékeket egyszerre teljesítő belsőégésű motor fordulatszám – hajtóműáttétel paraméterkombinációk tartományát. A vizsgálatok eredményei alapján a vezérlésnek a motor fordulatszám csökkentése mellett a hajtóművet – a teljesítmény elágazásos üzemállapothoz tartozó áttételi tartományban – a tisztán mechanikus teljesítmény átvitelhez minél közelebbi áttételnél kell működtetni.
5. Tézis [F7], [F8], [F9], [F11] Az általam kidolgozott vizsgálati módszerrel a CASE IH CVX 150 és a CASE IH CS 150 erőgépekkel – azonos paraméterek biztosítása mellett – végzett összehasonlító vizsgálatok eredményei alapján igazoltam és megállapítottam: A fokozatmentes hajtóművel rendelkező erőgép nagyobb vontatási teljesítményt ért el. A fokozatmentes hajtóművet tartalmazó erőgép hajtáslánca, a diszkrét áttételű hajtóművet tartalmazó erőgép egyes sebességfokozataiban mért maximális vontatási teljesítményekhez tartozó azonos haladási sebesség értékeknél 3-7 %-kal, azonos vonóerő értékeknél 4-22 %-kal jobban tudja kihasználni az adott motorfordulatszámon elérhető maximális teljesítményét, mint a diszkrét áttételű hajtóművet tartalmazó erőgép hajtáslánca. A szállítási vizsgálatokból származó mérési, és a saját fejlesztésű CVT-PowerShift Simulator által szolgáltatott eredmények alapján megállapítható, hogy a fokozatmentes hajtóművel szerelt erőgép jobb gyorsulási tulajdonsággal és alacsonyabb hajtóanyag fogyasztással rendelkezik. Ebből következik, hogy a fokozatmentes hajtóművel szerelt erőgépek a szállítási műveletek mellett előnyösen alkalmazhatók a rövid ideig tartó, nagy gyorsulásokat igénylő rakodási műveleteknél is.
7. A értekezés eredményeinek közvetlenül várható hasznosulása, továbbfejlesztési lehetőségek A kidolgozott vizsgálati módszer és a hozzá kapcsolódó adatfeldolgozási, kiértékelési, modellezési, üzemeltetési tapasztalatok és eredmények más mezőgazdasági erőgépek vizsgálatainál is alkalmazhatóak. Az eredmények alkalmasak a fejlesztők és a felhasználók számára a teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóművel rendelkező erőgépek használatára vonatkozó javaslatok összeállításához az optimális és a gazdaságos üzemeltetési paraméterek meghatározásához. A szimulációs modell továbbfejlesztésével a hajtómű változó terhelés esetén létrejövő hatásfokváltozása is figyelembe vehető. A teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóművek modellezése során szerzett tapasztalatok adaptálhatóak az új fejlesztésű hibrid és elektromos hajtásláncokba. Az optimális üzemeltetési paraméterek meghatározásának módszere kiterjeszthető a járószerkezet hajtás mellett a TLT és a hidraulikus rendszer hajtására is. Az új fejlesztésű elektromos hajtáselemek beépíthetők a szimulációs modellbe azok vizsgálatához. 11
8. Hivatkozott irodalom [1] Birch S.: Audi takes CVT from 15th century to 21st century. SAE International, 2007 [2] Szente M.: Traktorhajtóművek, Vállalkozók tanácsadója 97., Mezőgazdasági Technika, 1999 [3] Renius K. Th.: Neuere Getriebekonzeptionen für landwirtschaftliche Schlepper (Recent tractor transmission developments), Grundlagen der Landtechnik Vol. 24, No. 2: 41-46. 1974 [4] Sauer G.: Grundlagen und Betriebsverhalten eines Zugketten-Umschlingungsgetriebes, VDI Reihe 12 Nr. 293, Duesseldorf: VDI Verlag, 1996 [5] Schneider O.: Stufenlos verstellbares Hochleistungsgetiebe für Ackerschlepper. Eigenschaften und Anwendungen des Riemers Kettenwandlers, Grundlagen Landtechnik 16, Nr. 2 S.60-65, 1966 [6] Geimer M., Renius, K. Th.: Motoren und Getriebe bei Traktoren, Jahrbuch Agrartechnik 22, S. 60-67, 2010 [7] Casella A., Alberting G.: Powertrain efficiency optimization of Full Toroidal Variator based IVT agricultural transmissions, VDI-Berichte Nr.2060 S. 303-308, 2009 [8] CASE IH: CVX 120/130/150/170 Produktleitfaden, Case Steyr Produkt-Training Center St. Valentin, 2000 [9] Renius K. Th., Böhler H.: Motoren und Getriebe bei Traktoren, Jahrbuch Agrartechnik 10 S. 56-60 u. 239/240, 1998. [10] Teinilä T.: Neue Valtra-Getriebe aus eigener Fertigung, ATZ offhighway, Sonderausgabe ATZ Oktober S. 7078, 2009. [11] Renius K.Th., Marcus G.: Motoren und Getriebe bei Traktoren. In Jahrbuch Agrartechnik 24, S. 48-54, 2012. [12] Knechtges H., Renius K. Th.: Traktoren 2010/2011, ATZ offhighway, Sonderausgabe ATZ November S. 1020, 2011. [13] Vahlensieck B.: Messung und Anwendung von Lastkollektiven fuer einen stufenlosen KettenwandlerTraktorfahrantrieb, VDI Reihe 12 Nr. 385, Duesseldorf: VDI Verlag, 1999 [14] Resch R.: Leistungsverzweigte Mehrbereichs-fahrantriebe mit Kettenwandlern, Dissertation, Technische Universität München, 2004 [15] MÉM Műszaki Intézet: Beszámoló jelentés a VARITRAK 4 x 4 univerzális eszközhordozó erőgép és munkagépeinek vizsgálata című MÜFA témáról, Témaszám:1.22.11.0118.56, 1986 [16] Seeger J.: Entwicklung von Antriebsstrangstrategien eines stufenlosen Fahrantriebs in der Simulation und am Versuchsstand, Veröffentlich in dem Tagungsband des 2. IFK in Dresden 16./17. März 2000, S. 1-14, 2000 [17] Seeger J.: Untersuchung des Systems „Dieselmotor – Leistungsverzweigtes Getriebe” am Versuchsstand und in der Praxis, Tagungsband „Hydraulische Leistungsübertragung” der VDI-Tagung 29./30.3.2001, Kassel, VDI-Berichte Nr. 1592, S. 81-96, 2001 [18] Stufenlos – Ja oder Nein? Getriebe im Vergleich, Profi 12/2001, 2001 [19] Manfred L.: How well do stepless transmissions perform?, AgriFuture Agritechnica Focus, S. 24-25, 2001 [20] Sebestyén Zoltán: Gyakorlati tapasztalatok fokozat nélküli váltóművekkel Magyarországon, Szántóföldi növénytermelés gépesítése a Pannon térségben, Eisenstadt, 2001 [21] Gruppo G., Cutini M., Bisaglia C.: Mechanical vs. Continuously Variable Transmission (CVT) in Static and Dynamic Test Conditions, International Conference on Agricultural Engineering, AgEng 2004 Leuven 1216.9.2004, 2004 [22] Frassl F.: Untersuchungen zum Einfluss von Lastschaltgetriebe und "stufenlosen"Getriebe auf den Kraftstoffverbrauch bei Bodenbearbeitung und Transport, Diplomarbeit Universität für Bodenkultur Wien, 2008 [23] Racz A., Suntinger P.: Automatisches und Halbautomatisches Getriebe im Vergleich, Diplomarbeit Lehr- und Forschungszentrum Landwirtschaft Raumberg – Gumpenstein, 2011 [24] Gastinger G.: Untersuchung des Kraftstoffverbrauchs in der 75 kW Traktorenklasse mit einem leistungsverzweigten und lastschaltbaren Getriebe, Masterarbeit Universität für Bodenkultur Wien, 2011
12
9. A témában megjelent tudományos publikációk listája [F1] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Szimuláció a hajtástechnikában, Gép, LIII. évf. No.6-7. 18-22p, 2002 [F2] Farkas Zs., Jóri J. I.., Kerényi Gy.: The Application and Modelling Possibilities of CVT in Tractor, 5th International Multidisciplinary Conference, Baia Mare, Part II 145-150p, 2003 [F3] Farkas Zs.: Fokozatnélküli hajtóművek vizsgálata és optimalizálási lehetőségei, Optimization Possibilities and Investigation of CVT, XI. International Conference in Mechanical Engineering, OGÉT, Kolozsvár 2003 május 8-11, 76-79p, 2003 [F4] Jóri J.I., Farkas Zs., Szabó R., Szente M., Antos G.: The static and dynamic ground pressure of Case IH Quadtrac rubber belt type tractor, Hungarian Agricultural Engineering No 16/2003, 12-13p, 2003 [F5] Kerényi Gy., Farkas Zs., Jóri J. I., Soós S.: Comparative Analysis of Reversible Plough’s Frames New Trends in Engineering Design, Balatonfüred, Mezőgazdasági Technika 2003, Jubileumi különszám 45-47p, 2003 [F6] Farkas Zs., Kerényi Gy., Jóri J. I., Borsa B.: Terhelési modell eke keretszerkezetének vizsgálatához, Load model for examination of plough’s frames, MTA AMB K+F tanácskozás, Gödöllő, 3. kötet 226-230p, 2003 [F7] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Analysis of PowerShift and Continuously Variable Transmissions (CVT) of tractors, Gépészet 2004, Budapest, Volume 2, 510-513p, 2004 május. 27-28,ISBN 963-214-748-0, 2004 [F8] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Analysis and simulation of Powertrain of Case IH Tractors with CVT or PowerShift Transmission, Traktori I Pogonske Masine 4, Tractors and power machines 2004/12. 38-42p, ISSN 03549496, 2004 [F9] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Fokozatnélküli hajtóművet tartalmazó hajtáslánc elemzése, Analysis of Power Train with Continuously Variable Transmissions (CVT), XII. International Conference in Mechanical Engineering, OGÉT, Csíksomlyó, 87-90p, 2004. április 22-25, ISBN 973-86097-9-8, 2004 [F10] Kerényi Gy., Farkas Zs., Jóri J. I., Borsa B.: Dinamikus terhelési modell eke keretszerkezetének vizsgálatához, MTA-AMB K+F tanácskozás, Gödöllő, 3. kötet 184-188p, 2004 [F11] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Terhelés alatt kapcsolható és fokozatnélküli hajtóművek összehasonlító vizsgálatának analízise és szimulációja, MTA-AMB K+F tanácskozás, Gödöllő, 1. kötet 143-147p, 2005 [F12] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtómű modellezése, GÉP, LVI. Évfolyam 9-10 szám, 43-46p, ISSN 0016-8572, 2005 [F13] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Erőgépek teljesítmény elágazásos fokozatnélküli hajtóműstruktúráinak rendszerezése, MTA - AMB K+F tanácskozás, Gödöllő, 2. kötet 65-69 p, 2006 [F14] Farkas Zs.: Teljesítmény elágazásos fokozatnélküli hajtómű üzemállapotainak elemzése, Analysis of Infinitely Variable Transmission in the Different Operational Stages, XIV. International Conference in Mechanical Engineering, OGÉT, Marosvásárhely, 122-125p, 2006. április. 28-30, ISBN (10) 973-7840-100, ISBN (13) 978-973-7840-10-3, 2006 [F15] Farkas Zs.: Egyszeres teljesítmény elágazásos fokozatmentes hajtóművek elemzése, Analysis of single power split Infinitely Variable Transmissions, XV. International Conference in Mechanical Engineering, OGÉT, Kolozsvár, Műszaki szemle 122-125p, 2007. április. 26-29, ISSN 1454-0746, 2007 [F16] Farkas Zs., Hung N. Q., Tóth S., Kerényi Gy.: Modelling of the Multiple Range Infinitely Variable Transmission, Gépészet 2008, Budapest, 29-30.May 2008. G-2008-K-05, ISBN 978-963-420-947-8, 2008 [F17] Farkas Zs., Jóri J. I.: Virtual Prototype of Power Split Infinitely Variable Tractor Transmission, Synergy and Technical Development (Synergy2009) Gödöllő, Hungary, 30. August – 02. September 2009 [F18] Farkas Zs., Kerényi Gy.: Power Flows and Efficiency Analysis of out- And input coupled IVT, Periodica Politechnica, Mechanical Engineering 53: (2) 61-68p, ISSN 0324-6051, 2009 [F19] Farkas Zs., Jóri J. I.: Analysis of Power Flows and Efficiency in Infinitely Variable Transmissions of Agricultural Power Machines, XVII. 1. Commercial Vehicle Technology Symposium, Kaiserslautern, 163173p, 2010. március. 16-18, ISBN 978-3-8322-9040-5, 2010 [F20] Farkas Zs., Piros A., Bercsey T., Jóri I. J.: Mathematical Modelling and Fuzzy Based Evaluation of a Specific Engine-CVT Transmission Combination, Commercial Vehicle Technology Symposium, Kaiserslautern, 2012.03.13-15, 2012 [F21] Piros A., Farkas Zs.: Fuzzy based evaluation of a specific drive train. Advances in Mechanical Engineering, pp. 1-7. Paper doi:10.1155/2012/763171., 2012
13
