Bolygóműves CVT váltó? Ratio Zero Olaszországból

Az új váltómegoldás jelenlegi prototípusa alacsony nyomatékigényű alkalmazásokhoz, például elektromos kerékpárokhoz készült, de a koncepció skálázhatósága lehetővé teszi, hogy motorkerékpárokhoz és nagyobb nyomatékigényű személygépkocsikhoz is adaptálható legyen, miközben megőrzi a fokozatmentes áttétel rugalmasságát, a fogaskerekes hajtás hatékonyságát és a mechanikus rendszerek kiemelkedő megbízhatóságát. Ez a kombináció különösen ígéretes a nagyobb teljesítményű járműplatformok számára, ahol az energiahatékonyság, a nyomatéktűrés és az alacsony karbantartási igény egyszerre kritikus szempont.

Kezdjük az első potenciális elakadásnál: Hogyan lehet egy bolygóműves váltó CVT?

A CVT (Continuously Variable Transmission – azaz fokozatmentes sebességváltó) képes a bemeneti és a kimeneti tengely közötti áttételi arányt rögzített sebességfokozatok nélkül, folyamatosan változtatni. Ennek eredményeként a motor mindig az optimális fordulatszámon működhet, ami tüzelőanyag-hatékonyságot és sima vezetési élményt biztosít. A CVT-ket leggyakrabban autókban, robogókban és hibrid járművekben használják. Autós vonalon anno az NSU Prinz 2E modellben debütált, amelyet a hatvanas évek végén mutattak be. A CVT technológia akkor a Van Doorne's Transmissie (VDT) által kifejlesztett, "Variomatic" néven ismert rendszerre épült, ami egy egyszerű, de hatékony mechanikus CVT volt, két kúpos szíjtárcsából és egy szíjból állt és pneumatikus vezérléssel állította be az áttételt. Az azóta eltelt évtizedekben a CVT váltó jelentős fejlődésen ment keresztül, különösen japán vonalon részesítették előnyben, és eljutott a kisautóktól egészen a nagyobb motorokig. A modern CVT-k „lelke” jelenleg a fejlett láncos vagy acélszíjas erőátviteli rendszer, amely leváltotta a korai CVT váltókban alkalmazott kúpos szíjtárcsákat és bőrszíjakat.

De a Ratio Zero nem súrlódásos alapú erőátvitelen alapul, hanem bolygóműves megoldást alkalmaz.

A CVT (Continuously Variable Transmission) egyik legnagyobb hátránya a korlátozott nyomatéktűrő képesség, amely elsősorban a súrlódásalapú működésből ered. A hagyományos CVT-k, például a szíjas vagy láncos rendszerek, a nyomatékot az öv vagy lánc és a szíjtárcsák közötti súrlódás révén továbbítják, ami több problémát is felvet. Nagy nyomaték hatására a szíj vagy lánc megcsúszhat a szíjtárcsákon, ami kopást és energia-veszteséget okoz. Ezen felül a súrlódás jelentős hőtermelést eredményez, amely nemcsak a hatásfokot csökkenti, hanem extra hűtési rendszert is igényel, növelve ezzel a rendszer bonyolultságát és karbantartási igényét. Ezek a tényezők korlátozzák a rendszer nyomatéktűrő képességét, így a CVT-ket jellemzően kis- és közepes teljesítményű járművekben alkalmazzák, például robogókban vagy kompakt személyautókban. A korlátozott nyomatékkezelési képesség következtében a CVT-k nem alkalmasak nagyobb teljesítményű és nagyobb nyomatékot igénylő járművek, például sportautók, teherautók és SUV-ok számára, mivel a rendszer nem lenne megbízható vagy hatékony ilyen körülmények között. Bár a CVT-k hozzájárulnak a motor tüzelőanyag-hatékonyságának növeléséhez, saját működési hatásfokuk gyakran csak 80-88% között mozog, szemben a fogaskerekes váltók 95-97%-os hatásfokával. Ezek a nyomatékkezelési korlátok a CVT egyik legnagyobb gyengeségei, amelyek nemcsak az alkalmazási körüket szűkítik, hanem az energiahatékonyságukat is korlátozzák. Ezek a problémák indokolják a fejlettebb alternatívák, például a RatioZero Transmission (RZT) kifejlesztését, amelyek kiküszöbölik a súrlódásalapú működésből fakadó korlátokat, így nagyobb hatékonyságot és szélesebb körű alkalmazási lehetőséget kínálnak.

Egy bolygóműves hajtómű fokozatmentes sebességváltóként (Continuously Variable Transmission, CVT) való működése akkor valósulhat meg, ha az alkotóelemek – például a napkerék, bolygókerekek és a külső gyűrűkerék – egymáshoz viszonyított relatív mozgása folytonosan szabályozható, ezáltal rögzített áttételi viszonyok helyett folyamatosan változó áttételi tartományban képes működni. A klasszikus bolygóművek merev áttételeken alapuló hajtásláncokat alkalmaznak, ahol a mozgási arányokat az alkatrészek mechanikai kapcsolatai rögzítik. A hagyományos váltókban a különböző áttételek rögzített fokozatok formájában léteznek, ami a motor működési tartományát részben optimalizálja, de mindig kompromisszumokat követel.

A CVT konfigurációban az áttétel dinamikus szabályozását állítható mechanikus komponensek vagy fejlett elektronikus vezérlőrendszer biztosítja, amely folyamatosan optimalizálja a nyomaték- és sebességarányokat a működési körülményeknek megfelelően. A RatioZero Transmission (RZT) szerkezeti felépítése alapvetően különbözik a hagyományos CVT-k kialakításától. Az erőátviteli rendszer magját három, állítható karokra szerelt bolygókerekes fogaskerék-egység alkotja, amelyek lehetővé teszik a bemeneti tengelyről érkező forgatónyomaték precíziós átalakítását a kimeneti tengelyhez. A szerkezeti anyagok tekintetében az RZT konstrukciójában kiemelkedő szerepet kap a nagy szilárdságú, hőkezelt acél alkalmazása, amely magas nyomatékterhelési kapacitást biztosít a rendszer számára, miközben minimalizálja a fáradásos kopást és a hőtermeléssel összefüggő anyagkárosodást. Ez az anyagválasztás kulcsfontosságú a tartósság és a megbízhatóság fenntartásában, különösen nagyobb igénybevételt jelentő járműipari alkalmazásoknál. A jelenlegi prototípus nem tartalmaz pneumatikus vagy hidraulikus működtető elemeket, azonban várható, hogy a jövőbeli gyártói (OEM) fejlesztésekben (iterációkban) ezek a technológiák integrálásra kerülnek a vezérlési pontosság és az automatizálási szint további növelése érdekében.

A bolygókerekek és az állítható karok mozgatását precíziós elektronikus vezérlőrendszer irányítja, amely valós időben figyeli a terhelési viszonyokat, és a beállításokat dinamikusan módosítja az optimális teljesítmény érdekében. Ez a rendszer biztosítja, hogy az áttételi arány folyamatosan és fokozatmentesen változzon, ezzel lehetővé téve a motor üzemi paramétereinek (például fordulatszám és nyomaték) dinamikus optimalizálását. Egyedülálló tulajdonsága az, hogy az áttételi arány nullára csökkenthető, azaz a bemeneti tengely foroghat anélkül, hogy a kimeneti tengely mozgásba lendülne, mindezt tengelykapcsoló vagy nyomatékváltó alkalmazása nélkül. Ez a megoldás jelentős egyszerűsítést hoz a hajtáslánc architektúrájába, miközben javítja a rendszer megbízhatóságát és hatékonyságát.

Kihívások – nem egyszerű:

Egy ilyen konstrukció esetében a nagy nyomatékterhelés kezelése különösen kritikus műszaki kihívás, mivel az extrém mechanikai igénybevételek a fogaskeréksorok és a csapágyazások felületi fáradásához, anyagkihéjazódáshoz, valamint mikropitting jelenségekhez vezethetnek. A jelentős terhelési ciklusok miatt elengedhetetlen a fogaskerekek profilgeometriájának és hőkezelésének optimalizálása, beleértve a felületkeményítési technológiák, például indukciós edzés vagy nitrocementálás alkalmazását a kopásállóság növelése érdekében. A csapágyak esetében nagy terhelésű alkalmazásoknál a nagy teherbírású gördülőcsapágyak vagy hibrid kerámia csapágyazások használata válhat indokolttá, amelyek fokozott ellenállóságot biztosítanak a hőmérsékleti és mechanikai túlterhelésekkel szemben.

A kenéstechnológia szintén kulcsfontosságú szerepet játszik az ilyen erőátviteli rendszerek tartósságában. A fogaskerekek és csapágyak hatékony működéséhez magas viszkozitási indexszel rendelkező, nagy nyomástűrő (EP) adalékanyagokkal ellátott kenőanyagok szükségesek, amelyek minimalizálják a fém-fém érintkezéseket még nagy terhelés és szélsőséges üzemi hőmérsékletek mellett is. Az olajködös vagy célzott kenési rendszerek használata biztosíthatja, hogy az összes kritikus érintkezési pont optimálisan kenve legyen, miközben az olajcserék és szűrőrendszerek megfelelő karbantartásával megelőzhető az oxidációs termékek vagy szennyeződések okozta felületi károsodás.

Ha pneumatikus vagy hidraulikus aktuátorokat integrálnak az áttétel-szabályozó mechanizmusba, azok szivárgásmentes üzemeltetése elengedhetetlen. Ennek biztosítására korszerű tömítésrendszereket, például PTFE-alapú vagy többkomponensű elasztomer tömítéseket kell alkalmazni, amelyek képesek ellenállni a rendszerben jelentkező magas nyomásoknak és hőmérsékleti ingadozásoknak. A hidraulikus folyadék szennyeződésmentességének fenntartása céljából fejlett szűrőrendszereket kell alkalmazni, amelyek biztosítják a részecskeszennyeződések és víztartalom minimális szintjét.

Az elektronikus vezérlőrendszerek megbízhatósága szintén kritikus fontosságú, különösen a bolygókerekes tengelyek eltolásának szabályozása szempontjából. A rendszer integritásának fenntartása érdekében szükséges a vezérlőelektronika időszakos diagnosztikája, amely magában foglalja a hőmérséklet-szenzorok, nyomatékérzékelők és pozícióérzékelők kalibrálását, valamint a hibamentes szoftveres vezérlést.

A fogaskerekek és csapágyak kopása, a kenőanyagok öregedése és a rendszer mechanikai komponenseinek állapotromlása további karbantartási kihívásokat jelenthetnek. Ezek kezelésére a járműdiagnosztikában szaklapunkban is már tárgyalt, de még nem elterjedt új diagnosztikai eszközök előretörése várható – pl- hőkamera (termográfia), NVH (vibráció) analízis.

Mi lehet/lesz a sorsa?

Ahogyan számos korábbi technológiai innováció esetében tapasztalható volt, nagy valószínűséggel a RatioZero Transmission (RZT) fejlesztése is az OEM (Original Equipment Manufacturer) konszernek szellemi tulajdonává válik a technológia korai szakaszában. Az autóipari szegmensben tevékenykedő patinás, piacvezető gyártók, amelyek jellemzően éles figyelemmel követik az áttörő műszaki megoldásokat, valószínűleg stratégiai akvizíciók vagy exkluzív licencmegállapodások révén integrálják az RZT-t a saját termékfejlesztési folyamataikba.

Az RZT elsődleges rendeltetése, hogy megbízhatóbbá és hatékonyabbá tegye az erőátviteli rendszerek működését az autóipar és más járműipari szegmensek számára. A technológia kiküszöböli a hagyományos CVT-k legfőbb hátrányait, például a nyomatékátviteli korlátokat és a magas hőveszteséget. Potenciális jövőbeni fejlesztései során nagyobb nyomatékkezelési kapacitással rendelkező változatok kidolgozása, valamint az adaptív vezérlőrendszerek integrációja várható, amelyek optimalizálják a működést különböző vezetési körülmények között. A moduláris tervezési megközelítés szintén prioritás lesz, hogy a rendszer könnyebben javítható és karbantartható legyen. A szélesebb körű alkalmazás érdekében a RatioZero technológiai adaptációja lehetőséget nyújt a nagyobb járművek specifikus igényeinek kielégítésére is. A rendszer forradalmi újításai alapvetően változtathatják meg az erőátviteli rendszerek jövőjét az autóiparban és azon túl.

Forrás: thedrive.com, hackaday.com