Hydraulijärjestelmät voidaan jakaa kuvan 33 mukaisesti. Kurssin alkuosa on käsitellyt avoimia järjestelmiä. Nyt vuorossa suljetut järjestelmät.
Kuva 33
Tilavuusvirtakytkennässä (flow coupling) toimilaitteelle tuleva tilavuusvirta määräytyy primääriyksikössä (hydraulipumppu) ja toimilaitteen (sylinteri tai hydraulimoottori) kuorman suuruus määrää järjestelmän painetason
Painekytkennässä (pressure coupling) primääriyksiköllä (hydraulipumppu) vaikuttaa vakiopaine ja toimilaitteen (sylinteri tai hydraulimoottori) kuorman suuruus vaikuttaa toimilaitteen saamaan tilavuusvirtaan
9.1 Avoin hydraulijärjestelmä
Avoimessa hydraulijärjestelmässä, kuva 34, väliaine (esim. hydrauliöljy) palaa toimilaitteelta
mahdollisten venttiilien kautta säiliöön, josta pumppu jälleen imee sen. Avoimelle hydraulijärjestelmälle on ominaista:
-- järjestelmä on yksinkertaisempi, halvempi ja yleisempi kuin suljettu
-- toimilaitteen suunnanvaihto suoritettava venttiileillä, pumppu yksisuuntainen
-- tilava säiliö (3-5 kertaa pumpun tilavuusvirta/minuutti; mitoitusohje)
-- luonnollinen jäähdytys ison säiliön avulla
-- suodatus helppo järjestää
-- pumpulla ei voi jarruttaa
Kuva 34
9.2 Suljettu hydraulijärjestelmä
Suljetussa järjestelmässä, kuva 35, toimilaitteelta palaava väliaine johdetaan suoraan pumpun imupuolelle eikä säiliöön. Toimilaitteena on yleisimmin hydraulimoottori. Järjestelmässä käytetään erillistä syöttöpumppua ja huuhtelujärjestelmää jäähdytykseen ja vuotojen kompensoimiseksi. Toimilaitteen suunnan vaihto ja nopeuden säätö aikaansaadaan säätyvätilavuuksisen hydraulipumpun avulla muuttamalla tilavuusvirran suuntaa ja suuruutta.
Kuva 35
9.3 Sekundäärisäädetty tehonsiirto
Sekundäärisäädössä, kuva 36, teholähde tuottaa vakiopaineen syöttölinjaan. Kuorma ottaa käyttöön siitä tarvimansa paineen ja tilavuusvirran. Kuorman laskeminen voi tuottaa järjestelmään tehoa.
Kuva 36
9.4 Suljetun järjestelmän toimintaperiaate
Apupumppu, jota kutsutaan tavallisesti syöttöpumpuksi, tarvitaan vuotojen ja huuhteluventtiilin läpimenevän tilavuusvirran kompensoimiseksi. Syöttöpumppu aikaansaa myös tarvittavan syöttöpaineen (pääpumppu ei ole itse imevä), hoitaa jäähdytystä, suodatusta sekä tarvittaessa myös järjestelmän ohjaamista.
Järjestelmään (kuva 37) kuuluvat korkea- ja matalapainelinjat. Matalapainelinjassa on tyypillisesti lähes vakiopaine (15-30 bar). Korkeapainelinjan paine määräytyy kuormituksen mukaan. Tyypillisesti maksimipaine on n. 420 bar. Toimilaitteelle tuleva tilavuusvirta on riippuvainen pumpulta saatavasta
tilavuusvirrasta, tilavuusvirtaa ohjataan siis pumpun avulla. Paineenrajoitusventtiilit määrittävät molemmille linjoille maksimipaineen.
Huuhteluventtiili tarvitaan öljyn "huoltokiertoa" varten (suodatus ja jäähdytys).
Suljettu piiri on käytössä lähinnä mobilekoneiden ajovoimansiirroissa.
Kuva 37
Kuva 38
Kuvassa 38 on esitetty erilaisia tapoja toteuttaa suljettu järjestelmä. Kaksi ylintä ovat harvinaisempia. Säätyvää moottoria tarvitaan, kun muuntosuhteen tulee olla suurempi.
9.5 Ajovoimansiirto
Tyypillinen suljetun järjestelmän käyttökohde on liikkuvien työkoneiden ajovoimansiirtojärjestelmät. Kuvassa 39 on erilaisia työkoneita, joissa käytetään hydrostaattista ajovoimansiirtoa.
9.5.1 Ominaisuuksia
- portaattomasti säädettävä ulostulonopeus
- jäykkyys
- joustavuus komponenttien sijoiteltavuudessa
- ylikuormitussuoja paineenrajoitusventtiilien avulla
- mahdollisuus energian varastointiin
- hyvä säädettävyys
- Jarrutettavuus (30% ajotehosta voidaan absorboida hydraulimoottoreiden kautta, loput mekaanisilla jarruilla)
9.5.2 Ajovoimansiirron osat ja järjestelmäratkaisuja
Hydrostaattinen ajovoimansiirto lyhennetään usein HST (Hydrostatic Transmission). Järjestelmään sisältyvät yleensä seuraavat osat:
- Käyttömoottori (yleensä dieselmoottori)
- Hydraulipumppu (yksi tai useampia)
- Hydraulimoottori (yksi tai useampia)
- Apupumppu (suljettu hydraulijärjestelmä)
- Paineenrajoitusventtiili (yksi tai useampia)
- Huuhteluventtiili (suljettu hydraulijärj.)
- Suodatus, jäähdytys, tankki
- Ohjaukseen / säätöön tarvittavat komponentit. Järjestelmäratkaisuja kuvissa 40, 41 ja 42.
Kuva 40
Kuva 41
Kuva 42
Kuva 43
Kuvassa 43 ovat järjestelmän osat sellaisina, kun laitteissa esiintyvät. Vasemmalla alhaalla pumppu on oikealla ja hydraulimoottori vasemmalla.
9.6 Ajovoimansiirron ohjaaminen
Periaatteessa ajovoimansiirtoa voidaan ohjata hyvin monella tavalla. Kuva 44 esittää tavanomaisen säätöperiaatteen, jossa välityssuhdetta kasvatetaan säätämällä aluksi pumpun kierrostilavuutta suuremmaksi, moottorien kierrostilavuuden ollessa maksimissa. Vetopyöriltä on mahdollista saada täysi vääntömomentti vetomoottorien kierrostilavuuden ollessa suurimmillaan, mikäli käyttömoottorin teho riittää täyden paineen tuottamiseen. Tämän jälkeen moottorien kierrostilavuutta aletaan pienentämään, jolloin välityssuhde edelleen kasvaa. Pumppu ja moottori on esisäädetty yhdessä käyttömoottorin kanssa toteuttamaan tämä toiminta. Työkoneissa käytetään useimmiten ns. ajoautomatiikkaa ohjaamaan pumpun ja moottorien säätämistä, jotta koneen käyttö olisi vaivatonta. Ajoautomatiikkajärjestelmät ovat hydraulisia tai sähköisiä. Sähköisesti ohjatut järjestelmät ovat yleistymässä muunkin elektroniikan lisääntyessä. Ne mahdollistavat kuvaan 44 verrattuna monipuolisempia säätömahdollisuuksia.
Kuva 44
9.6.1 Hydraulisesti toteutettu ajoautomatiikka
Kuvassa 45 on pumpun hydraulikaavio, jossa käytetään hydraulisesti toteutettua ajoautomatiikkaa.
Syöttöpumpun 4 tuottama tilavuusvirta on suoraan verrannollinen käyttömoottorin pyörimisnopeuteen. Pumpun 5 säätämiseen tarvittava paine-ero aikaansaadaan kuristuksella 1. Mitä suurempi tilavuusvirta sen läpi kulkee sitä suurempi paine-ero syntyy. Kuristuksen 1 yläpuolella sijaitsevat muut venttiilit ovat ajovoimansiirron ominaisuuksien säätämistä varten ja niitä tarvitaan myös erilaisten pumppu-käyttämoottori yhdistelmien oikeiden säätöjen aikaansaamiseksi. Ajosuunta tai "vapaa" valitaan suuntaventtiilistä 2. Kuristimen 1 aikaansaama paine-ero pääsee sen läpi vaikuttamaan pumpun kierrostilavuuteen, kun eteen tai taakse ajo on valittu. Lisäventtiilien säädöllä voidaan vaikuttaa kuinka pumppu kasvattaa kierrostilavuuttaan. Jos säätöpaineen kasvu on liian nopeaa, tuntuu kuin käytettäisiin liian suurta vaihdetta. Tämä johtuu siitä, että pumppu kuormittaa käyttömoottoria voimakkaasti hidastaen sen pyörimisnopeuden kasvua. Venttiilin kolme avulla
saadaan aikaan ryömintäajo, eli hidas liikenopeus suurella pyörimisnopeudella. Tämä mahdollistaa suuren vääntömomentin saannin.
Kuva 45
9.6.2 Sähköinen ajoautomatiikka
Sähköisen mikroprosessoripohjaisen ajoautomatiikan avulla voidaan toteuttaa huomattavasti monipuolisempia säätöjä kuin perinteisellä hydraulisella säädöllä. Kuvassa 46 on eräs sovellutusesimerkki. Pumppua ja moottoreita ohjataan proportionaaliventtiileillä, jotka saavat syöttöpaineen syöttöpumpulta. Mikroprosessorin ohjelmoinnista riippuen pumppua ja moottoreita voidaan säätää toisistaan riippumatta. Tavoitteena voi olla optimaalisen hyötysuhteen saanti, käyttömoottorin pitäminen maksimimomentin tai -tehon pyörimisnopeudella tms.
Kuva 46
9.6.3 Luistonesto
Mekaanisen vaihteiston yhteydessä voidaan käyttää tavanomaisia ratkaisuja. Kun hydraulimoottoreita on kaksi tai useampia, pyrkii tilavuusvirta ohjautumaan vähemmän kuormitetuille moottoreille. Näin niiden pyörimisnopeus kasvaa (luisto) ja vetovoimaa ei saada kasvatettua. Tilavuusvirran jako voidaan aikaansaada pakotetusti virranjakoventtiilien avulla, kuva 47. Myös hydraulimoottorien kytkeminen sarjaan pakottaa pyörät samalle nopeudelle (huom paineentarve kasvaa).
Luistonesto voidaan toteuttaa myös kuvan 48 mukaisesti elektroniikkaa hyödyntäen. Vetopyörien pyörimisnopeus mitataan antureilla ja jos joku pyöristä alkaa luistaa eli pyörimisnopeus kasvaa, alentaa sähköinen järjestelmä, ASR, luistavan pyörän kierrostilavuutta, kunnes vääntömomentti ei enää riitä luistoon. Tällä järjestelmällä kustakin pyörä aikaansaa kitkasta riippuen parhaan vetovoiman. Hyvissä olosuhteissa vetovoimaa rajoittaa käyttömoottorin teho, maksimi paine sekä hydraulimoottorien kierrostilavuus.
Kuva 47
Kuva 48