Välivaiheita traktorivaihteistojen kehityskulussa

Voimaa kampiakselilta vetopyörille

Koko sen ajan, minkä ensin höyrykoneet ja sitten polttomoottorit ovat olleet helpottamassa lihastyötä, on pitänyt ratkaista kuinka koneen pyörinnästä saatu voima saadaan hyötykäyttöön. Ajopeleistä puhuttaessa on aina tarvittu jonkinlainen vaihteisto.

Fordson F-mallin vaihteisto vuodelta 1917 oli eräs ensimmäisiä traktorivaihteistoja. Kuten kuva kertoo, jo siinä käytettiin siirtoholkkikytkentää. Vaihteensiirtäjät olivat sekä pää- että sivuakselilla. Normaalista poiketen voimansiirto perään tapahtui sivuakselin jatkeelta. Se taas johtui siitä, että traktorissa oli niin sanottu ruuviperä, joka vaati alas sijoitetun pienen vetopyörän, tässä siis ruuvin. Kun moottorin käyntinopeus oli vain tuhantisen kierrosta minuutissa ja ruuvin välityssuhde normaalia pientä vetopyörää tiheämpi, erillistä alennusyörästöä vaihteiston jälkeen ei tarvittu. Sellainenhan oli esimerkiksi seuraajamallissa Fordson Major E27N.

 

Traktorit tehtiin alkuun vain peltotöihin, aurojen vetureiksi. Siksi niissä useimmiten olikin vain kaksi vaihdetta eteenpäin ja peruutus. Henry Fordin 1910-luvun lopulla lanseeraamassa Fordson F-mallissa oli jo "kolme vaihdetta ja peruutus" -mallinen vaihteisto. Suurimmalla vaihteella saavutettiin nopeus 7 mailia, pyöreät 10 kilometriä tunnissa.  Aikaa myöten vaihteistoa muuteltiin ja jo 1920-luvun lopun N-Fordsoniin oli tarjolla useampia välityssuhteita. Ruuviperä säilyi kuitenkin aina Fordson Major E27N-malliin saakka, siis 1940-luvun puoleen väliin.
      Vuodet vierivät ja traktorienkin voimansiirto kehittyi. Kun David Brown toi 1940-luvun lopulla markkinoille 6+2 kertojavaihteiston, oli tarjolla maatalouskäyttöön monipuolisesti sopiva kone. Vaihteistoratkaisu yleistyi nopeasti kilpailijoidenkin traktoreissa, kuten "uudessa" Fordson Majorissa vuonna 1952. Silti jenkkien ja eräitten brittivalmistajien neli- ja saksalaisten 5-vaihteiset laatikot olivat kuvioissa vielä 1960-luvun taitteeseen saakka.
Lisää nopeuksia

Fordin esitellessä 10-vaihteisen Select-O-Speed vaihteistonsa "tonni" -sarjassa 1964, otettiin aimo harppaus portaatonta voimansiirtoa kohti. Aikaansa edellä oleva tekniikka sai alkuun innostuneen vastaanoton, mutta osaksi käyttäjien piittaamaton käsittely aiheutti rikkoutumisia ja mahdollisille uusille ostajille käsityksen moisen vaihteiston kelvottomuudesta. Se vedettiinkin muutaman kokeiluvuoden jälkeen pois ainakin Euroopan alueen myynnistä. Toki lisää vaihteita saatiin myös muuten; MF-traktoreihin tuli tarjolle hydraulisesti kytkettävä Multi-Power, joka kaksinkertaisti nopeuksien lukumäärän. Ford vastasi tuomalla Dual-Power-vaihtoehdon ja pian tuo lisäominaisuus oli saatavana lähes kaikkiin traktorimerkkeihin.

 

Kiteeläisen Pauli Silvennoisen Fordissa Select-O-Speed  palveli vähin huolloin kesään 2017 mennessä 49 vuotta ja yli 5500 tuntia (kuvat ylä- ja alapuolella).

 

Helpompaa vaihtamista

Ford esitteli myös kyseisellä tavalla toimivan, nyt 8+2-vaihteiston, uuden mallisarjan tullessa markkinoille, siis vuonna 1964. Tehdas antoi sille nimen constant-mesh -vaihteisto. Iso saksalainen voimansiirtolaitteiden valmistaja ZF oli toiminut samaan suuntaan aikaisemmin. Se oli tuottanut kehittyneen voimansiirtopaketti-sarjan jo 1950-luvulla.

      Mallistosta tunnetaan tyypit A205, A208, A210, A212 sekä A216. Loppusarjoissa oli levyjarrut ja takanavoissa planeetta-alennus. Esimerkiksi 1960-luvulla yleinen malli A208 oli 8+4 vaihteinen, jolloin 3-asentoisessa aluevaihteistossa oli nopean ja hitaan välityksen lisäksi peruutusvaihde.
     A208 vaihteisto oli huomattavan kehittynyt siinäkin suhteessa, että siinä oli jo kaksi-nopeuksinen 540/1000 r/min voimanulosotto, noin 4,5 kierrosta ajometrille pyörivä ajovoimanotto sekä kaksiportainen kytkin. Takanavoissa tässäkin vaihteistossa oli planeettapyörästöihin perustuva alennus. Sen aikakauden saksalaiseen tapaan traktorin alla oli vielä keskiniittokoneen käyttöä varten suunniteltu voimaotto kaksiuraisen kiilahihnapyörän avulla. Kaikissa loppuversioitten vaihteistoissa oli siirtoholkkikytkentä, mutta se poikkesi Fordin ratkaisusta.

     Kun Ford käytti kytkentään tiheähköllä urituksella varustettua holkkia, ZF-vaihteistossa asia hoidettiin siirtoholkissa toimivilla metallisauvoilla. Ne olivat päistään muotoiltu lähes pallomaisiksi ja liukuivat vaihteiston akseleille jyrsityissä puoliympyrän muotoisissa urissa. Hammaspyörien sivuissa taas olivat vastaavat syvennykset, joihin vaihde kytkeytyi. Sauvojen lukumäärä siirtoholkkia kohti oli parikymmentä ja juuri niiden päitten muotoilu sai vaihteen kytkeytymisen harvinaisen "supsikkaaksi".  

     Saman arvosanan toiminnastaan ansaitsee myös Fordin constant mesh-vaihteisto, kuten tuhannet käyttäjät sen yhtenä miehenä todistavat. Yhteinen selitys niin Ford- kuin ZF- vaihteistojen miellyttävälle toiminnalle on kaiketi, että kun kytkentä tapahtuu lähellä akseli/hammaspyöräyhdistelmän pyörintäkeskiötä, hammaspyörän ulkokehään verrattuna huomattavasti pienempi kehänopeus ja myös itse pääakselipaketin ja siirtoholkin pienehköt massat tulevat "keppiä" käsittelevän kuljettajan avuksi.

 



 

ZF A208-vaihteisto pää- ja aluevaihteiston hammaspyörineen. Aluevaihteisto on päävaihteiston takana.

ZF A208- päävaihteisto ja kytkentäholkit. Näissä vaihteistoissa hammaspyörien kulmat eivät pyöristy eivätkä lohkeile.

 

Ford constant mesh-vaihteiston periaatekuva.

 

Fordin tonnisarjan constant mesh-vaihteisto. Siirtoholkkeja ovat kuvan numerot 20, 26 ja 50

Miten siirtoholkkivaihteisto eroaa perinteisestä siirtohammaspyörävaihteistosta?

Perinteisessä siirtohammaspyörävaihteistossa vaihteet kytketään siirtelemällä pääakselille booreihin asennettuja hammaspyöriä hammaskosketukseen sivuakselilla olevien hammaspyörien kanssa. Sivuakselia kutsutaan myös ryhmäpyöräksi, sillä kaikki sillä olevat hammaspyörät ovat periaatteessa samaa ”murikkaa”. Lisäksi tarvitaan omalla akselillaan oleva välipyörä, jonka avulla saadaan peruutusvaihde, kun välipyörä kääntää sivuakselilta tulevan pyörintävoiman päinvastaiseksi.

Tässä havainnekuvassa on perinteinen siirtohammaspyörävaihteisto, jossa kytkettynä on ykkösvaihde.
 

Sama vaihteisto kuin edellä, mutta tässä on kytkettynä kolmonen, joka tässä vaihteistossa on "suora". Toisin sanoen voima välittyy perään  pienen vetopyörän akselille moottorin kampiakselin pyörintänopeudella.

Tässä kuvassa näkyy periaatteellinen ero siirtohammaspyörävaihteiston ja siirtoholkkivaihteiston välillä. Hammaspyörät ovat jatkuvassa kosketuksessa ja vaihteet kytketään siirtoholkin avulla.

 

Siirtohammaspyörävaihteiston käyttö kaksoiskytkentää käyttäen vaatii ammattitaitoa. Traktoreissa  se tulee esiin siirtonopeuksilla. Tyypillinen esimerkki on David Brownin suorahampainen  6+2 vaihteisto. Tiealueen vaihteet viitonen ja kuutonen pyrkivät "kiroilemaan" monen kuskin kourissa. Pari "Taavettia" omistaneena olen nähnyt kyseisten välitysten hammaspyöriä, joista käyttö on murentanut pois jo kolmanneksen niiden alkuperäisestä leveydestä. Synkronoinnin tuleminen myöskin traktorivaihteistoihin on ollut tervetullut parannus.

     Siirtoholkkivaihteistossa sivuakseli on periaatteessa samanlainen kuin edellisessä. Sen sijaan kaikki pääakselilla olevat hammaspyörät ovat laakeroitu akselille vapaasti pyöriviksi. Siirtoholkit ovat liitetty booreilla tai rihloilla pääakseliin liukusovitteisina. Kun siirtoholkkia siirretään vaihdevivulla halutun välityksen antavan hammaspyörän vastarihlaukseen, alkaa sivuakselilta tuleva momentti pyörittää pääakselia, jolta voima siirtyy edelleen perän ja tasauspyörästön kautta vetopyörille. Peruutusvaihde tässäkin ratkaisussa tarvitsee oman välipyöränsä. 
     Tässä kerrottu pitää paikkansa periaatekuvauksena. Myöhemmissä traktorivaihteistoissa saattoi olla kolmekin akselia, jolloin esimerkiksi ”ryhmäpyöriä”, sivuakseleita oli kaksi kappaletta. Näin saatiin samaan vaihteistokoteloon useampia välityssuhteita.
      Kehitys harppoo vauhdilla eteenpäin ja nyt traktoreissa ovat jo kauan olleet synkronoidut vaihteistot. Niidenkin elinkaari on päättymässä, sillä markkinoita hallitsevat kymmeniä välityssuhteita tarjoavat hydrauliikalla, planeettapyörästöillä, levypakoilla ja jarrupannoilla, sekä kehittyneellä elektroniikalla varustetut kehitelmät.
     Täysin portaattomiakin työkonevaihteistoja on tarjolla. Kun nykyään ammattislangissa puhutaan hammaspyörävaihteistosta nimellä "kova vaihteisto", on sanottava, että ihan kovia vaihteistoja ne todella olivatkin; sillä niillä tämän maailman infra on pääosin rakennettu - vieläpä melkoisen energiatehokkaasti.

. Eräs nykyisin valmistuksessa oleva ZF-tuote on  tämä Powersift Terrapower T-7000 voimansiirtopaketti 250 kWn traktoriin.

¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤
 

Saksalaisia voimansiirron "takuumiehiä",

ZF- ja GETRAG

Saksalainen käytännönläheisyys näkyy yritysten toiminimissäkin. ZF (virallisesti ZF Friedrichshafen AG) on lyhenne sanaparista Zahnradfabrik - hammaspyörätehdas. Vastaavasti toinen vaihteistojen valmistaja Getrag on lyhenne toiminimestä Getriebe AG, suomeksi vaihteisto-osakeyhtiö.
Maataloutta palvelevana yrityksenä Getrag tiedetään lähinnä puimurivaihteistoista. Nykyään myös Ford on vahvasti mukana Getrag-kehittelyssä yhteisen joint venture-yrityksen kautta. Ralliautoilun maailma taas tuntee hyvin firman kilpailukäyttöä varten rakentamat suorahammasvaihteistot. Raskaan kaluston piirissäkin Getrag-tuotemerkkiä arvostetaan ja toinen hyvin suuri asiakasryhmä ovat eurooppalaiset henkilöautovalmistajat.
     ZF-tehdas taas toimii laajalla toimialalla kaikenlaisen ajoneuvovoimansiirron komponenttien valmistuksessa. Autoista firman tuotteita löytyy ohjausvaihteesta vaihteistoihin ja iskunvaimentimiin. Traktoreissa on käytetty paljon ZF-voimansiirtopaketteja, joissa on samassa kokonaisuudessa vaihteisto, perä, taka-akselirakenteet jarruineen sekä tarvittava hydrauliikka.
Tilanne oli toinen 60 vuotta sitten
Etenkin Saksassa oli heti sotienjälkeisestä ajasta eteenpäin kymmenittäin pieniä traktorinvalmistajia. Erityisesti heille ZF alensi kynnystä lähteä ottamaan osansa tarjolla olevasta markkinasta. Useimmiten moottorikin oli alihankkijan työtä. MAN, Fahr, Güldner, Eicher, Fendt, Schlüter, sekä useat muut, olivat ZF-firman vaihteisto-asiakkaita. Moottoreita taas toimittivat vaikkapa Güldner, Deutz ja MVM. Pienet valmistajat ovat jo karsiutuneet, mutta otsikon yritykset ovat säilyttäneet paikkansa huomattavina tuotekehittelijöinä ja laadukkaitten osakokonaisuuksien valmistajina.
Teollisuus palvelee nykyisin maailmanlaajuisia markkinoita
Vaikka ZF-tehdas palvelee lukuisia saksalaisia asiakkaitaan, sen valmistamia vaihteistoja ja varsinkin nelivetotraktoreiden etuakseleita käyttävät useimmat muutkin traktoritehtaat. Kun Fordin "kymppi"-sarja tuli markkinoille ja kun tarjolla oli jo synkronoitu vaihteisto, Ford jakoi valmistusvastuuta ZF:lle ja alkuaan anglosaksisella alueella toimineelle, mm. momentinmuunninvaihteistoistaan tunnetulle Clark-yhtymälle. Synkronoitujen vaihteistojen valmistus jäi ZF:n huoleksi ja muihin vaihteistoihin osia toimitti Clark.
     Jo vuonna 1986 ZF valmisti muun muassa Fordin Pohjois-Amerikan tehtaitten käyttöön 10.000 vaihteistoa. Niitä meni raskaan kaluston laitteisiin, mutta huomattavan paljon myös maataloustraktoreihin. Jatkossa määrät vielä kasvoivat. Edelleen ZF-akselistoja käyttävät Deutz- Fahr, John Deere ja laajassa merkkipaletissaan AGCO. Ainakin osassa mallistoaan asiakkaita ovat myös New Holland ja Case-IH. ZF-yritys tunnetaan kaikkialla maailmassa, mutta erityisen nopeasti kasvava ja jo nykyisellään hyvin iso tuotanto- ja myyntialue on Kiinassa.
     Pääartikkelissa esitelty alle 45 hv:n teholuokkaan suunniteltu ZF A208 vaihteisto on saanut oman aikansa jälkeen paljon "perillisiä", saman valmistajan nykyaikaisia voimansiirtopaketteja, viimeistä huutoa olevine vaihteistoineen. Mitoitetut tehoalueet ulottuvat nyt jo 300 kW:n moottoritehoille ja niitä käyttävät lukuisat tunnetut traktorivalmistajat.