Systemy zwalniaczy dla pojazdów użytkowych

Systemy zwalniaczy dla pojazdów użytkowych MAN
Bogdan Kruk
12.12.2022

Układy hamulcowe muszą sprostać wymaganiom, jakie stawiają przed nimi samochody z dużą ładownością. Szczególnie przydatne i efektywne podczas długotrwałego hamowania może okazać się załączenie urządzeń wspomagających.

Retardery (z ang. retard – zwalniać) należą do kategorii urządzeń wspomagających układy hamulcowe w pojazdach użytkowych i autobusach. Przeznaczone są do długotrwałego stosowania. Z uwagi na pracę pozbawioną tarcia mechanicznego działają praktycznie bez zużycia. Uruchamiane są ręcznie przez kierowcę za pomocą wielostopniowej dźwigni, która znajduje się przy kierownicy, lub automatycznie za pomocą pedału hamulca. Za pośrednictwem elektronicznego systemu sterowania są zintegrowane z układem hamulca i załączane podczas jazdy lub hamowania w zależności od sytuacji na drodze.

Typy retarderów

Wyróżniamy dwa typy retarderów: elektromagnetyczne i hydrodynamiczne. Działanie zwalniaczy elektromagnetycznych opiera się na wykorzystaniu zjawiska prądów wirowych. Głównymi elementami tych retarderów są: stojan zaopatrzony w zespół elektromagnesów (przymocowany do ramy pojazdu, skrzyni biegów lub mostu napędowego) oraz dwa wirniki umieszczone na wale napędowym. Jednak ze względu na ciężar i wymagania konstrukcyjne zwalniacze tego typu nie są zbyt często stosowane w pojazdach użytkowych.

Najczęściej w charakterze zwalniaczy stosuje się hydrodynamiczne hamulce przepływowe. Czynnikiem roboczym wykorzystanym w układzie zwalniacza hydrodynamicznego jest ciecz, a jego sterowanie odbywa się za pomocą sprężonego powietrza.

Dużą zaletą zwalniaczy jest ich niezawodność, odciążenie hamulca roboczego oraz przejęcie znacznej części procesów hamowania. Jest to szczególnie ważne podczas długotrwałych zjazdów ze wzniesień, dlatego zwalniacze często są nazywane hamulcami górskimi.

Podczas zjazdów po pochyłościach klasyczne hamulce cierne pracują z pełną mocą i rozgrzewają się do bardzo wysokich temperatur. Zwalniacze w sposób bezpieczny hamują pojazd, zwiększając w ten sposób bezpieczeństwo kierowców oraz żywotność tarcz i klocków hamulcowych. Dzięki zastosowaniu zwalniaczy zmniejszają się także koszty eksploatacji pojazdu. Załączenie retarderów podczas hamowania zmniejsza też emisję pyłów hamulcowych o około 80% w porównaniu z pojazdami bez zwalniacza.

Działanie retardera hydrodynamicznego

Zwalniacze hydrodynamiczne zawsze działają według tej samej zasady: wewnątrz retardera znajdują się dwa, zwrócone do siebie wirniki, które mają płaskie łopatki. Wirnik rotora sprzęgnięty jest z ruchomym wałem przeniesienia napędu, a nieruchomy wirnik statora zamocowany jest na stałe do konstrukcji zwalniacza. Rotor w zależności od budowy retardera połączony jest z wałkiem wyjściowym przekładni lub z wałem korbowym. Istnieją również konstrukcje zwalniaczy, które są zintegrowane bezpośrednio ze skrzynią biegów lub zamontowane między silnikiem a przekładnią.

Podczas uruchomienia zwalniacza czynnik roboczy (olej lub woda) zostaje wtłoczony do przestrzeni roboczej retardera. W zależności od położenia dźwigni sterującej lub pedału hamulca między rotor a stator wtryśnięta jest mniejsza lub większa ilość czynnika. Obracający się wirnik dzięki działającej na niego sile odśrodkowej wypycha czynnik w kierunku zewnętrznej części obudowy retardera, a następnie wyrzuca ciecz z łopatek na nieruchome łopatki statora. W wyniku dużego obciążenia łopatek między rotorem a statorem powstaje moment hamujący, który jest proporcjonalny do ilości wtłoczonej cieczy.

W ten sposób następuje wyhamowanie wału przeniesienia napędu, a pojazd użytkowy zmniejsza swoją prędkość, wspomagając hamulec roboczy. Skuteczność hamowania zależy od prędkości jazdy i stopnia napełnienia olejem przestrzeni międzyłopatkowej hamulca. Powstałe w wyniku procesu hamowania ciepło czynnika roboczego odprowadzane jest do wymiennika, gdzie jest schładzane za pomocą cieczy z układu chłodzącego silnik. Obudowa wymiennika ma korek spustowy i czujnik temperatury.

Rodzaje retarderów hydrodynamicznych

W technice samochodowej istnieje kilka terminów określających zwalniacze. W zależności od miejsca instalacji są one podzielone na pierwotne i wtórne. Zwalniacze pierwotne znajdują przed przekładnią, a ich skuteczność hamowania uzależniona jest od prędkości obrotowej silnika. Zwalniacze wtórne są zamontowane na wyjściu skrzyni biegów („inline”) lub w ciągu wału napędowego („offline”). Ich skuteczność hamowania zależy od przełożenia skrzyni biegów i prędkości pojazdu. Z kolei zwalniacze intarder zintegrowane są z przekładnią i spowalniają pojazd niezależnie od prędkości silnika.

Retarder główny  

Zwalniacze główne zamocowane są między silnikiem a skrzynią biegów lub bezpośrednio do przekładni. Czynnikiem roboczym jest olej pochodzący z obiegu retardera, a czynnikiem sterującym jest sprężone powietrze. Retarder główny często ma zastosowanie w układach napędowych autobusów miejskich ze względu na dobre parametry hamowania przy wysokich obrotach silnika. Główne opóźniacze mają jedną istotną wadę – w momencie zmiany biegów zanika hamowanie kół.

Zwalniacz wodny PriTarder (Aquatarder)

Pierwsze zwalniacze wodne wyprodukowano w 2004 r., z przeznaczeniem dla pojazdów użytkowych firmy MAN. Zwalniacz wodny jest przymocowany do przedniej części silnika i podłączony do wału korbowego pojazdu. PriTarder jest bezpośrednio zintegrowany z systemem chłodzenia, dlatego nie potrzebuje dodatkowego czynnika roboczego. Urządzenie ma dwa wirniki (rotor i stator). Ciepło, które powstaje podczas procesu zwalniania jest odprowadzane bezpośrednio przez układ chłodzenia pojazdu, bez konieczności stosowania dodatkowego wymiennika ciepła. Aquatarder waży ok. 34 kg, a dzięki kompaktowej konstrukcji retardera przestrzeń montażowa wałów przeniesienia napędu lub elementów nadwozia pojazdu nie jest ograniczona. Zwalniacze tego typu osiągają wysoką skuteczność hamowania nawet przy niskich obrotach silnika.

Zwalniacz Intarder 

Nazwa intarder wywodzi się od pierwszego zwalniacza zintegrowanego ze skrzynią biegów. W 1992 r. firma ZF zastosowała intarder, który generuje siłę hamowania bezpośrednio na wyjściu z przekładni. Hamowanie nie zależy od prędkości obrotowej silnika, nie występuje również przerwa w działaniu zwalniacza podczas włączania sprzęgła i zmiany biegów. Wirnik jest połączony z wałem wyjściowym skrzyni biegów za pośrednictwem dodatkowych kół zębatych i napędzany prędkością dwukrotnie większą niż prędkość obrotowa na wyjściu z przekładni. Pompa hydrauliczna dostarcza do zwalniacza wymaganą ilość oleju ze skrzyni biegów bezpośrednio przez wymiennik ciepła (wspólny obieg oleju z przekładnią).

Intarder jest uruchamiany za pomocą przełącznika hamowania lub jest sprzężony z hamulcem roboczym. Sterowanie odbywa się za pomocą elektronicznej jednostki sterującej. Na podstawie sygnału z jednostki uruchamiany jest elektrozawór proporcjonalnego działania, który uruchamia zawór przełączający. Podczas hamowania olej krąży na krótkim odcinku między zwalniaczem a wymiennikiem ciepła. Precyzyjnie kontrolowana ilość oleju pozwala na dobranie pożądanego momentu hamowania dla tzw. hamowania adaptacyjnego.

Zależnie od temperatury płynu chłodzącego siła hamowania jest automatycznie dostosowywana do dostępnej wydajności chłodniczej wymiennika ciepła silnika. Gdy intarder jest wyłączony, pompa hydrauliczna kieruje olej z przekładni bezpośrednio przez wymiennik ciepła intardera. Pozwala to uniknąć skoków temperatury oleju w przekładni i zapewnia jego niższą temperaturę. 

Firma ZF, producent zwalniaczy, uważa, że niższa temperatura oleju opóźnia proces jego starzenia, co powinno również pozytywnie wpływać na żywotność pozostałych komponentów przekładni.

Najnowsza wersja zwalniacza marki ZF osiąga o 25% większą skuteczność hamowania, jednocześnie jest lżejsza i pracuje ciszej niż jej poprzednik. Intarder można podłączyć do manualnych (ZF Ecosplit) lub automatycznych (AS Tronic) skrzyń biegów. Dzięki zastosowanym rozwiązaniom konstrukcyjnym umożliwia on zintegrowanie z systemem załączenia hamulcami pojazdu – w tym z funkcją tempomatu.

Zwalniacze wtórne „inline” i „offline”

Zwalniacze hydrokinetyczne wykonane są jako indywidualne jednostki, które mogą być zamontowane w pojeździe w układzie szeregowym („inline”) lub równoległym („offline”).

Dzięki tym zwalniaczom wspomagającym prędkość pojazdu jest zwiększana w porównaniu z prędkością wału przeniesienia napędu w zależności od przełożenia przekładni. Zwalniacze są niezwykle kompaktowe i mają wysoką skuteczność hamowania nawet przy niskich prędkościach jazdy. Podobnie jak w przypadku zwalniacza liniowego mediami roboczymi i sterującymi są olej i sprężone powietrze, a dopływ oleju jest niezależny od przekładni.

  • Zwalniacz „inline” zamontowany jest w osi wału napędowego i z niego bezpośrednio odbiera moment obrotowy. Prędkość obrotowa wału zwalniacza szeregowego równa jest prędkości obrotowej wału napędowego.
  • Zwalniacz „offline” przymocowany jest do skrzyni biegów i odbiera moment napędowy przez koła zębate. Retardery równoległe są lżejsze i mają bardziej zwartą konstrukcję w porównaniu ze zwalniaczami „inline” o tej samej mocy hamowania.

Zwalniacz wodny

Retarder wodny firmy Voith został zaprojektowany jako zwalniacz równoległy „offline” i jest połączony z przekładnią za pomocą koła zębatego. Cechą szczególną Voith Aquatarder jest to, że medium roboczym jest płyn chłodzący silnik. Zwalniacz jest bezpośrednio zintegrowany z systemem chłodzenia bez dodatkowego wymiennika ciepła. Elektroniczny sterownik zwalniacza komunikuje się z systemem zarządzania hamulcami za pośrednictwem magistrali CAN. Po aktywacji retardera informacja dotycząca wymaganej siły hamowania przesyłana jest do modułu sterującego zwalniacza. Następuje otwarcie kanału napełniania zwalniacza, płyn chłodzący przepływa przez szczeliny w statorze do przestrzeni roboczej między wirnikami. Obracający się rotor wprawia w ruch ciecz znajdującą się między rotorem a statorem. Jednocześnie obracający się rotor przesuwa się w stronę statora, zmniejszając przestrzeń roboczą.

Zwalniacz wodny SWR Voith

W momencie osiągnięcia mniejszej szczeliny ciecz zostaje zawrócona na tarczę rotora, wymuszając jego zwolnienie. Spowalniający wirnik wytrąca prędkość obrotową wału przeniesienia napędu, powodując zmniejszenie prędkości pojazdu. Powstałe ciepło jest odprowadzane do obiegu chłodzenia pojazdu. Podczas hamowania zwalniacz wodny poprzez wytworzone ciśnienie cieczy zwiększa jej przepływ, wspomagając w ten sposób pracę pompy wody. Według producenta, firmy Voit, poprawia to skuteczność zwalniacza o ok. 20–30%.

Po zakończeniu hamowania zwalniacz jest ponownie opróżniany z cieczy, a rotor przesuwany do pozycji spoczynkowej. Odsunięcie go od stojana zapobiega utracie przez układ momentu napędowego. Wraz ze sterowanym hamulcem silnikowym zwalniacz wodny tworzy tzw. układ hamulcowy pritarder i ma moc hamowania do 600 kW, która jest dostępna prawie stale przy prędkości 10–90 km/h. Pritarder nadaje się szczególnie do pojazdów używanych w dystrybucji lub na placach budowy.

Turbosprzęgło z retarderem

Retarder może być również sprzężony z hydrodynamicznym sprzęgłem rozruchowym, ponieważ oba działają na tej samej zasadzie. Mercedes oferuje w samochodzie Actros tzw. turbosprzęgło z retarderem (turbo-retarder kupplung – TRK). System nosi nazwę VIAB (odporny na zużycie zintegrowany układ rozruchu i hamowania). W turbosprzęgle z retarderem, podobnie jak w zwalniaczu wodnym, dwa wirniki z łopatkami zwrócone są do siebie. Tarcza wirnika zamontowana jest od strony silnika i podczas hamowania działa jak rotor. Z kolei tarcza turbiny położona jest po stronie przekładni i podczas hamowania pełni funkcję statora. Moment hamujący sprzęgło przekazywany jest za pomocą oleju przekładniowego. 

Podczas ruszania system działa jak hydrodynamiczny przemiennik momentu obrotowego. Kiedy kierowca naciska pedał gazu, olej przepływa między dwoma wirnikami, a moment obrotowy jest przekazywany z rotora poprzez olej do tarczy statora. To wprawia w ruch wirnik turbiny i napędza pojazd. Ilość oleju jest płynnie regulowana i decyduje o wielkości momentu obrotowego.

Turbosprzęgło z retarderem

Po zakończonym procesie rozruchu tradycyjne sprzęgło cierne dociska elementy cierne i przenosi moment obrotowy, a sprzęgło hydrodynamiczne zostaje opróżnione z oleju. W ten sposób powstaje czysto mechaniczny układ napędowy, który pracuje z dużą wydajnością. Zaletą takiego przeniesienia napędu jest szybsze, a zarazem bardziej płynne i niezużywające się połączenie cierne przy pełnym momencie obrotowym silnika. Ponieważ nie ma konieczności rozpoczynania jazdy ze sprzęgłem ślizgowym, sprzęgło cierne w Actrosie może być zaprojektowane jako jednotarczowce sprzęgło suche nawet przy najwyższej mocy silnika i dużych obciążeniach. Ciężar sprzęgła turboretardera wynosi ok. 120 kg. W porównaniu z dwutarczowym suchym sprzęgłem TRK waży tylko o 78 kg więcej.

Podczas hamowania wirnik turbiny zostaje unieruchomiony za pomocą hamulca turbinowego. Olej zostaje ponownie wtłoczony do przestrzeni roboczej retardera, a sprzęgło turbozwalniacza przejmuje funkcję zwalniacza głównego. Retarder podczas załączenia wykorzystuje przełożenia skrzyni biegów, dzięki temu system umożliwia uzyskanie wysokich momentów hamowania nawet przy niskich prędkościach. Turbosprzęgło z retarderem ma też wbudowaną ochronę przed staczaniem się, która umożliwia pojazdom użytkowym płynne i kontrolowane ruszenie na wzniesieniach. 

O Autorze

Bogdan Kruk

Redaktor miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

autoExpert 06 2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę