Των Χρήστου Ζαχάρη, Χρίστου Καλλίγερου*
Μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική σχεδιαστική λύση για την υλοποίηση της μετάδοσης ισχύος σε ένα επιβατικό αυτοκίνητο είναι η εφαρμογή υδραυλικών συστημάτων.
Η υδραυλική και πιο συγκεκριμένα η υδροστατική μετάδοση κίνησης είναι ουσιαστικά ένας τρόπος μεταφοράς της ισχύος από τη πρωτεύουσα πηγή (π.χ. Μ.Ε.Κ., ηλεκτρικός κινητήρας) 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/ά, καθώς και οι άξονες κίνησης από το όχημα και τη θέση του 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 την Μ.Ε.Κ., οπότε και οι δύο περιστρέφονται σε δεδομένες σταθερές στροφές, η τελευταία δε 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 συνεχής 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 τον χρόνο αλλαγής των σχέσεων, ενώ παράλληλα θα αυξήσει τον χρόνο μεταφοράς ωφέλιμης ισχύος από τον κινητήρα στους τροχούς, προσφέροντας αδιάκοπη δύναμη προώθησης τους οχήματος, μειώνοντας τελικά το χρόνο που χρειάζεται να διανύσει μια δεδομένη διαδρομή.
Μείωση εκπομπών των ρύπων
Ακόμα, η παρουσία στις μέρες μας, της αυξημένης ανάγκης για μείωση των ρύπων και αύξησης της απόδοσης των αυτοκινούμενων οχημάτων που βρίσκονται κατά εκατομμύρια στο σύγχρονο κόσμο και γενικότερα η αναζήτηση μεθόδων περισσότερο «φιλικές» 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 όπου απαιτούν πολύ συχνές και γρήγορες εναλλαγές της ταχύτητας του οχήματος. Αυτές μπορεί να είναι οι συχνές εναλλαγές κατά την λειτουργία ενός οχήματος εντός πόλης, όπου βρίσκεται σε μεγάλη συχνότητα αντιμέτωπο με την ανάγκη επιβράδυνσης αλλά και της επικείμενης επιτάχυνσης κατά την διέλευση από τους φωτεινούς σηματοδότες.
Κατά την διαδικασία αυτή χάνεται ένα σημαντικό ποσό ενέργειας που ισούται με αρκετά μεγάλο μέρος της αρχικής κινητικής ενέργειας του οχήματος πριν την επιβράδυνση, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται 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. Τη 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 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, οδηγώντας το ρευστό σε υδραυλικούς αποταμιευτές (accumulators), ανεβάζοντάς τους την πίεση και αντίστοιχα την υδραυλική ενέργεια. Με αυτόν 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 εταιρίες και έχει αποδείξει ότι μπορεί να καταφέρει εξοικονόμηση ενέργειας έως και 35% σε χρήση εντός πόλης. Γίνεται επομένως ξεκάθαρο, πως η έρευνα και ανάπτυξη μιας τέτοιας τεχνολογίας αξίζει προσοχής αφού είναι πολλά υποσχόμενη.
Τα πλεονεκτήματα της υδροστατικής μετάδοσης
Για την λεπτομερέστερη μελέτη των υδροστατικών μεταδόσεων κίνησης ως μια υποσχόμενη εναλλακτική λύση για επιβατικά αυτοκίνητα, το Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Δυναμικής ΕΜΠ έχει αναπτύξει εργαλεία για τον 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 λιγότερος θόρυβος), λιγότερα εξαρτήματα (και επομένως μεγαλύτερος χρόνος συντήρησης). Το βασικό μειονέκτημά 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.
Ο κ. Χρήστος Ζαχάρης είναι Διπλ. Μηχ. Μηχανικός, Επιστημονικός Συνεργάτης Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών
Ο κ. Χρίστος Καλλίγερος, Διπλ. Μηχ. Μηχανικός, Επιστημονικός Συνεργάτης Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών
