Bestupanjski mjenjač sa zupčanicima: Talijani patentirali mjenjač bez mane

Ne samo među automobilima, već i u ostalim prijevoznim sredstvima, ali i u industriji, oduvijek je postojala potreba za redukcijom ili multiplikacijom brzine vrtnje, odnosno manipulacijom okretnim momentom koji isporučuje motor. Uz zadanu snagu, okretni moment i brzina vrtnje su u obrnuto proporciponalnoj vezi – smanjenje brzine vrtnje donosi veći okretni moment i obrnuto – a mehanička naprava koja nam omogućuje promjenu izlaznog okretnog momenta i broja okretaja naziva se, kao što znamo, mjenjač.

Koji, pak, može biti sa stupnjevima, gdje je zupčaničkim parovima definirano nekoliko fiksinih prijenosnih omjera ili bestupanjski, često nazivan varijatorom ili CVT, odnosno, mjenjačem s kontinuirano promjenjivim prijenosnim omjerom.

Potonji bi bio idealan u smislu da bi za traženu izlaznu snagu ili broj okretaja motor uvijek mogao raditi u optimalnom režimu rada, bilo da se traži minimalna potrošnja ili maksimalna snaga. No, svi varijatori do sada su se bazirali na trenju, što neminovno povećava gubitke, a ukupni raspon prijenosnih omjera im je ograničen, jednako kao i maksimalni okretni moment koji mogu prenijeti.

Zato, barem među automobilima, danas dominiraju mjenjači sa zupčanicima, koji često velikim brojem stupnjeva pokušavaju kompenzirati svoje urođene nedostatke. No, što kada bismo kontinuirano promjenjivo, bestupanjski, okretnim momentom i brojem okretaja mogli manipulirati pomoću prijenosnika koji koristi zupčanike?

Grupa nadahnutih inženjera okupljenih pod imenom RatioZero patentirala je prijenosnik koji omogućava upravo to, objedinjujući pritom najbolje osobine raznih tipova mjenjača - veliki raspon prijenosnih omjera (do 1:6) i visoku učinkovitost na razini ručnog mjenjača (95%), bez ograničenja u smislu maksimalnog okretnog momenta. Kako radi? Bez animacije je to gotovo nemoguće objasniti, pa svakako u internetsku tražilicu upišite ‘RatioZero’ i pogledajte dostupne videosnimke. Princip rada lakše je razumjeti na prvom prototipu, koji nalikuje planetarnom prijenosniku.

Ključni element su parovi zupčanika-satelita, pri čemu se jednom setu zupčanika mijenja ekscentricitet, a na taj način i prijenosni omjer. Sateliti drugog seta, pri čemu je svaki sa svojim parom povezan ‘polugom’, naizmjenice, svaki po dio rotacije, povlače zupčanik s unutarnjim ozubljenjem na izlaznoj strani - u kratkim koracima pri velikoj redukciji, a u dužim kako se stupanj redukcije smanjuje.

Dodatna vrlina RatioZero mjenjača: kada je ekscentricitet nula, izlazna strana miruje, pa – u teoriji – ne trebate spojku, još jedan kritični element u prijenosu snage. Ipak, nije sve savršeno. U prvom prototipu pojavio se problem cikličke varijacije prijenosnog omjera, odnosno oscilacije brzine vrtnje i okretnog momenta na izlazu.

Na drugom patentiranom prototipu, koji izgleda skroz drugačije, ali radi na istom principu, to je kompenzirano eliptičnim zupčaničkim parovima. Eliptični zupčanici nisu novost, no njihova velikoserijska proizvodnja, uz zadovoljavajuću preciznost izrade, osjetno je skuplja od običnih kružnih.

Prototip mjenjača skuplja kilometre na običnom i električnom biciklu, a uskoro će i na maxiskuteru Yamaha T-Max. No, put do serijske proizvodnje traži još mnogo testiranja i ulaganja, pa ekipa iz RatioZero pokreće crowdfunding kampanju.

Kako radi RatioZero mjenjač? Skrivena čarolija zupčanika i polugica

Premda princip rada RatioZero mjenjača bez animacije nije lako razumljiv, u suštini je prilično jednostavan. Zupčanik povezan s ulaznim vratilom (1) u zahvatu je sa zupčanicima koji su povezani s kotačićima (2) na kojima su hvatišta polugica (3). Ekscentricitet tih hvatišta može se mijenjati, a time i dužina putanje kojom polugice preko kratkih lanaca povlače druge kotačiće (4) povezane s izlaznim vratilom putem jednosmjernih spojki. Kako su hvatišta pomaknuta u fazi, svaka polugica povlači izlaznu stranu u samo jedan dio rotacije. Kada je hvatište u centru rotacije pomaka nema i izlazna strana miruje, no kako se pomiče dalje od središta vrtnje, koraci su sve dulji.

CVT s koničnim remenicama U teoriji sjajan, u izvedbi s nedostacima

Ovaj tip mjenjača, koji je najčešći na skuterima, a koriste ga i neki automobili, radi tako da je klinasti remen (ili lanac, kao na slici) uglavljen između para koničnih remenica. Polovice remenica mogu se približiti ili udaljiti, pa remen (lanac) kada su polovice razmaknute zahvaća bliže osi vrtnje, a kako se približavaju, pomiče se prema obodu. Na suprotnoj remenici proces je obrnut, pa se tako bez stupnjeva mijenja i prijenosni omjer. Okretni moment prenosi se putem trenja između remena (lanca) i remenica, što ograničava maksimalnu vrijednost koju je moguće prenijeti, ali i stvara gubitke, jer se dio energije zbog trenja gubi u vidu topline. Stoga je učinkovitost CVT-a 70 do 86 posto, odnosno barem 10 posto manja nego kod prijenosnika sa zupčanicima. Također, maksimalni raspon prijenosnih omjera je oko 400 posto, u odnosu na 550 posto kod zupčanika.