Μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική σχεδιαστική λύση για τη μετάδοση ισχύος σε ένα επιβατικό αυτοκίνητο είναι η εφαρμογή υδραυλικών συστημάτων.
Των κ. Χρήστου Ζαχάρη και Χρίστου Καλλίγερου*
Η υδραυλική, και πιο συγκεκριμένα η υδροστατική μετάδοση κίνησης, είναι ουσιαστικά ένας τρόπος μεταφοράς της ισχύος από την πρωτεύουσα πηγή (π.χ. από τη μηχανή εσωτερικής καύσης ή τον ηλεκτρικό κινητήρα) στους κινητήριους τροχούς του οχήματος.
Σε αντίθεση με τις συμβατικές μηχανικές μεταδόσεις κίνησης που χρησιμοποιούν συμπλέκτες, διαφορικά, κιβώτια ταχυτήτων και διάφορα άλλα στοιχεία μηχανών, μια υδροστατική μετάδοση χρησιμοποιεί μόνο μια υδροστατική αντλία, υδραυλικούς κινητήρες και τα παρελκόμενα των υδραυλικών συστημάτων για τη σύνδεσή τους. Τα συστήματα αυτά έχουν τη δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της σχέσης μετάδοσής τους χωρίς κανένα περιορισμό και χωρίς τη διακοπή της ισχύος προς τους τροχούς, γι’ αυτό συχνά καλούνται και ως «απείρως μεταβαλλόμενες μεταδόσεις» (Infinite Variable Transmissions [IVTs]).
Το τελευταίο καθίσταται εφικτό μέσω των διαφόρων ελέγχων που προσφέρουν τα υδραυλικά συστήματα, όπως είναι η δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της παροχής μιας υδροστατικής εμβολοφόρου αντλίας τύπου swash-plate ή ο έλεγχος της ροής του κυκλώματος μέσω αναλογικών βαλβίδων.
Η αντικατάσταση της συμβατικής μετάδοσης κίνησης σε ένα επιβατικό όχημα με υδροστατική σημαίνει ουσιαστικά πως θα αφαιρεθεί ο συμπλέκτης, το κιβώτιο ταχυτήτων, το/τα διαφορικό/διαφορικά, καθώς και οι άξονες κίνησης από το όχημα, και τη θέση τους θα πάρουν η συζευγμένη με τον κινητήρα αντλία και οι υδραυλικοί κινητήρες, ένας για τον κάθε κινητήριο τροχό.
Με τον τρόπο αυτό –και δεδομένου ότι η αντλία είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη μηχανή εσωτερικής καύσης, οπότε και οι δύο περιστρέφονται σε δεδομένες σταθερές στροφές– η μηχανή δεν θα έχει την ανάγκη να μεταβάλλει την ταχύτητα περιστροφής της, όπως συμβαίνει μέχρι τώρα, αλλά θα μπορεί να λειτουργεί σε ένα προκαθορισμένο βέλτιστο σημείο λειτουργίας, προσφέροντας καλύτερη απόδοση και μικρότερη κατανάλωση καυσίμου.
Επίσης, η δυνατότητα της συνεχούς μεταβολής της σχέσης μετάδοσης που δίνει ο τρόπος αυτός, καθιστά τη μεταφορά της ισχύος προς τους τροχούς αφενός μεν πολύ περισσότερο ομαλή και αφετέρου συνεχή και αδιάκοπη, αφού απουσιάζουν τα μεταβατικά χρονικά διαστήματα μεταξύ των αλλαγών σχέσεων που λαμβάνουν χώρα στις συμβατικές μεταδόσεις.
Έτσι, για δεδομένο όχημα συγκεκριμένης ισχύος, η χρήση της υδροστατικής μετάδοσης θα μηδενίσει ουσιαστικά το χρόνο αλλαγής των σχέσεων, ενώ παράλληλα θα αυξήσει το χρόνο μεταφοράς ωφέλιμης ισχύος από τον κινητήρα στους τροχούς, προσφέροντας αδιάκοπη δύναμη προώθησης του οχήματος και μειώνοντας τελικά το χρόνο που χρειάζεται για να διανύσει το όχημα μια δεδομένη διαδρομή.
Μείωση των εκπομπών ρύπων
Ακόμα, η αυξημένη ανάγκη για μείωση των ρύπων και αύξηση της απόδοσης των εκατομμυρίων αυτοκινούμενων οχημάτων και γενικότερα η αναζήτηση μεθόδων περισσότερο «φιλικών» προς το περιβάλλον, έχουν ξεκινήσει πάλι να ρίχνουν τα φώτα στην υδροστατική μετάδοση.
Αυτό οφείλεται στην «ευελιξία» της υδραυλικής ενέργειας, η οποία μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας και να εξυπηρετήσει ανάγκες που αλλιώς φαίνονται εξαιρετικά πολύπλοκες έως αδύνατες.
Ένας τρόπος που μπορεί να επιτευχθεί αυτό μέσω της υδροστατικής μετάδοσης κίνησης είναι η προσθήκη του λεγόμενου συστήματος ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισμα (regenerative braking). Το σύστημα αυτό είναι ιδιαίτερα αποδοτικό σε διαδικασίες οδήγησης που απαιτούν πολύ συχνές και γρήγορες εναλλαγές της ταχύτητας του οχήματος. Αυτές μπορεί να είναι οι συχνές εναλλαγές κατά τη λειτουργία ενός οχήματος εντός πόλης, όπου βρίσκεται συχνά αντιμέτωπο με την ανάγκη επιβράδυνσης, αλλά και σε επικείμενη επιτάχυνση κατά τη διέλευση από τους φωτεινούς σηματοδότες.
Κατά τη διαδικασία αυτή χάνεται ένα σημαντικό ποσό ενέργειας, που ισούται με αρκετά μεγάλο μέρος της αρχικής κινητικής ενέργειας του οχήματος πριν την επιβράδυνση, το οποίο ποσό μετατρέπεται στη συνέχεια σε θερμότητα μέσω του συστήματος της πέδησης.
Σε σύντομο χρονικό διάστημα, όμως, το όχημα θα αναγκαστεί να επιταχυνθεί εκ νέου, δαπανώντας σχετικά μεγάλα ποσά ενέργειας, αφού η επιτάχυνση από στάση ενός οχήματος –λόγω της μεγάλης μεταβολής που πρόκειται να επέλθει στην κινητική ενέργειά του– αποτελεί ίσως τη μεγαλύτερη απαίτηση για προσφορά ενέργειας κατά το μεγαλύτερο μέρος της διαδρομής του. Την παραπάνω αποβολή και προσφορά ενέργειας έρχεται να διαχειριστεί η ανάκτηση ενέργειας.
Η λογική είναι η εξής: Αντί η ενέργεια να αποβληθεί στο περιβάλλον υπό τη μορφή θερμότητας, μπορεί να αποθηκευτεί υπό τη μορφή υδραυλικής ενέργειας, εκμεταλλευόμενη την κινητική ενέργεια του οχήματος. Τη διαδικασία αυτή καλείται να πραγματοποιήσει το υδραυλικό κύκλωμα μέσω των κινητήρων που θα βρίσκονται στους τροχούς και οι οποίοι κατά το φρενάρισμα θα λειτουργούν αντίστροφα ως αντλίες, κινούμενοι από την αδράνεια του οχήματος και οδηγώντας το ρευστό σε υδραυλικούς αποταμιευτές (accumulators), ανεβάζοντάς τους την πίεση και αντίστοιχα την υδραυλική ενέργεια.
Με αυτό τον τρόπο, ένα μεγάλο μέρος της κινητικής ενέργειας θα μετατρέπεται σε υδραυλική, η οποία θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί –μέσω της λειτουργίας των κινητήρων πλέον– για την επιτάχυνση του οχήματος, αποφορτίζοντας την πρωτεύουσα πηγή ισχύος από την επιπλέον ισχύ που θα έπρεπε να προσφέρει.
Το σύστημα αυτό έχει δοκιμαστεί από διάφορες εταιρείες και έχει αποδείξει ότι μπορεί να καταφέρει εξοικονόμηση ενέργειας έως και 35% σε χρήση εντός πόλης. Γίνεται επομένως ξεκάθαρο πως η έρευνα και η ανάπτυξη μιας τέτοιας τεχνολογίας αξίζουν προσοχής, αφού είναι πολλά υποσχόμενες.
Πλεονεκτήματα της υδροστατικής μετάδοσης
Για τη λεπτομερέστερη μελέτη των υδροστατικών μεταδόσεων κίνησης ως μιας πολλά υποσχόμενης εναλλακτικής λύσης για επιβατικά αυτοκίνητα, το Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Δυναμικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου έχει αναπτύξει εργαλεία για το σχεδιασμό και την προσομοίωση του υδραυλικού κυκλώματος μιας υδροστατικής μετάδοσης κίνησης ενός επιβατικού οχήματος, καθώς έχει προβεί και στην κατασκευή μιας πειραματικής διάταξης για την υλοποίηση της υδροστατικής μετάδοσης για την καλύτερη αξιολόγηση των διαφόρων σχεδιαστικών λύσεων.
Τα μέχρι τώρα αποτελέσματα έχουν δείξει ότι οι υδροστατικές μεταδόσεις κίνησης μπορούν να προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε ένα επιβατικό αυτοκίνητο, όπως μεγάλη συγκέντρωση ισχύος, λιγότερα κινούμενα μέρα (και επομένως λιγότερο θόρυβο) και λιγότερα εξαρτήματα (και επομένως μεγαλύτερα διαστήματα μεταξύ των συντηρήσεων).
Το βασικό μειονέκτημα των υδροστατικών μεταδόσεων είναι ο συγκριτικά χαμηλός βαθμός απόδοσης λόγω απωλειών στο υδραυλικό κύκλωμα, ο οποίος όμως μπορεί να αντισταθμιστεί με την ανάπτυξη αποδοτικών συστημάτων ανάκτησης ενέργειας.
LEZANTES
Ροή ισχύος στην κλασική μηχανική μετάδοση κίνησης.
Μονογραμμικό διάγραμμα υδραυλικής υλοποίησης ελεύθερου διαφορικού.
Πειραματική διάταξη υδραυλικής μετάδοσης ισχύος στο Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Δυναμικής.
*Ο κ. Χρήστος Ζαχάρης και ο κ. Χρίστος Καλλίγερος είναι διπλωματούχοι μηχανολόγοι μηχανικοί, επιστημονικοί συνεργάτες του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών και Δυναμικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
ΜΟΤΟ 1
«Η υδροστατική μετάδοση μηδενίζει το χρόνο αλλαγής σχέσεων, αυξάνει το χρόνο μεταφοράς ωφέλιμης ισχύος από τον κινητήρα στους τροχούς και προσφέρει αδιάκοπη δύναμη προώθησης»
ΜΟΤΟ 2
«Η υδροστατική μετάδοση κίνησης σε ένα επιβατικό αυτοκίνητο συνεπάγεται μεγάλη συγκέντρωση ισχύος, λιγότερα κινούμενα μέρα, χαμηλότερο θόρυβο και λιγότερα εξαρτήματα»
