Teksti: Erik Ahmasalo

Kytkin/variaattori

 

Teksti julkaistu MK 5/94

Liian usein tapaa kelkkailijoita, jotka eivät ole tyytyväisiä ajokkinsa toimintaan ja aivan liian usein syyt toimintahäiriöihin löytyvätkin kytkin – hihna – variaattori kokonaisuudesta. Yleensä syynä ongelmiin on näiden komponenttien liiallinen kuluminen, likaantuminen tai niin sanotun asiantuntijan tekemä parannus alkuperäisiin säätöihin.

Kytkin – variaattori yhdistelmä on portaaton automaattivaihdelaatikko, joka pystyy vaihtamaan välitystä 3:1 – 1:1 muuntosuhteiden alueella. Vaihtamistapahtumassa kytkin reagoi lähinnä moottorin käyntinopeuden muutoksiin ja variaattori aistii telamatolta tulevaa kuormitusta. Karkeasti voidaan ajatella, että kytkin rakennetaan moottorin ominaisuuksien mukaan l. kytkin säädetään kytkemään sellaisella kierrosluvulla, millä moottorissa on riittävästi vääntömomenttia kelkan ongelmattomaan liikkeellelähtöön raskaissakin olosuhteissa. Toisaalta ylösvaihtaminen tulee tapahtua moottorin maksimi vääntömomentin alueella. Variaattorissa kolmionokan, jousen ja telamatolta välittyvän vääntömomenttitarpeen yhteisvaikutuksesta syntyy liikkuvan lautasen liikkeitä ohjaava voima.

Tarkastellaan aluksi kelkan liikkeelle lähtöä. Kun kierroksia lisätään, kasvaa kytkimen painoon vaikuttava keskipakoisvoima Fc. Fysiikan kaavojen mukaan keskipakoisvoiman suuruus on Fc = mv2/r l. voima on suoraan verrannollinen painon massaan (m), kehänopeuden (v) neliöön ja kääntäen verrannollinen massan etäisyyteen (r) kytkimen keskipisteestä. Kun painoihin vaikuttava keskipakovoima ylittää kytkimen jousen esijännitysvoiman Fj, lähtee liikkuva lautanen puristamaan hihnaa ja kytkin kytkee. Kierrosluku, jolla em. prosessi tapahtuu, on kytkentäkierrosluku. Luonnollisesti kytkentävaiheessa kytkin/variaattoriyhdistelmän muuttosuhde on suurimmillaan eli n. 3:1 ts., kun kytkin pyörii 3000 r/min niin variaattori pyörii 1000 r/min ja vetoakseli 500 r/min. Ketjukotelossa (tai vaihteistossa) oleva toisiovälitys on yleensä lähellä 2:1, em. välityssuhteilla normaalikokoisella vetopyörällä kelkka kulkee kytkentäkierrosluvulla n. 20 km/h. Kun kaasua lisätään moottorin kierrokset nousevat, keskipakovoima kasvaa ja liikkuvan lautasen puristus hihnaan lisääntyy ja hihna pyrkii kytkimen lautasilla kohti ulkokehää ja luonnollisesti variaattorilla kohti sisäkehää. Tätä tapahtumaa nimitetään ylösvaihtamiseksi.

Yritän selkeyttää variaattorissa vaikuttavia voimia. Variaattorin jousen aiheuttamat voimat olen jättänyt pois kuviosta, jotta esitys selkeentyisi. Jousen ja jousen esijännityksen muuttaminen on tapa säätää variaattorin toimintaa ja on siinä mielessä merkityksellinen, mutta periaatetoimintoja tarkasteltaessa jousi voidaan unohtaa. Mehän olimme kiihdyttämässä kelkkaa ja portaaton "automaattilaatikko" vaihtaa isommalle vaihteelle. Siihen kuinka helposti ylösvaihtaminen tapahtuu voidaan vaikuttaa variaattorin kolmionokan nokkakulman suuruudella ja jousen esikiristyksellä. Mikäli kelkan kulkua vastustavat voimat ovat suuret ja toisaalta telamaton pito on hyvä esim. tiivis, kostea umpilumi, tarvitsee telamatto suuren vetovoiman kiihdyttääkseen kelkkaa. Tästä välittyy variaattorille suuri momenttitarve ja edelleen suuri voima Fm liikkuvan lautasen vastuspinnan ja nokkakappaleen kolmionokan välille. Momentista aiheutuva voima voidaan jakaa kahteen komponenttiin Fm1 ja Fm2, joista Fm2 kumoutuu kiinteiden pintojen välillä, mutta Fm1 pyrkii painamaan variaattorin liikkuvaa lautasta kiinni päin. Toisaalta hihnalla oleva vetovoima S aiheuttaa puristusvoiman Fs hihnan ja variaattorin lautasten välille. Lautaspinnan kulma aiheuttaa tarpeen jakaa voima Fs kahteen komponenttiin Fs1 ja Fs2. Fs2 kumoutuu kiinteisiin rakenteisiin, mutta Fs1 pyrkii avaamaan variaattorin lautasia ja näin mahdollistamaan hihnan painumisen pienemmälle kehälle. Eli variaattori on kuormitussäädin, joka pyrkii asettumaan tasapainotilaan toisaalta kytkimeltä tulevan hihnan vetovoiman ja kulkuvastus informaation suhteen. Hihnan vetovoima pyrkii avaamaan variaattorin lautasia ja nokkakappaleessa voimaksi muuttuva telamatolta tuleva momentti pyrkii sulkemaan lautasia. Jos ajamme tasaisella kaasulla vakio-olosuhteissa, asettuvat em. voimat tasapainotilaan ja kelkka saavuttaa tietyn nopeuden, tietyn välityssuhteen ja moottorin kierrosluvun. Kaasua lisättäessä kierrokset lisääntyvät, hihnan veto kasvaa ja kytkin/variaattori yhdistelmä vaihtaa ylöspäin kunnes uusi tasapainotila löytyy. Mikäli kaasua vähennetään, toimii systeemi päinvastoin l. vaihtaa alaspäin kunnes tasapaino löytyy. Kytkin/variaattorivoimansiirron hyvyys tai huonous on paljolti kiinni, paitsi oikeista säädöistä, myös siitä, kuinka herkästi järjestelmä reagoi muuttuneisiin tilanteisiin. Yleensä kaasukapulalla annettuihin komentoihin tulee asiaankuuluvat reaktiot, mutta kuormitusolosuhteiden muuttumiseen ei kaikissa systeemeissä löydy riittävää herkkyyttä. Hyvä testi on ajaa tasaisella alustalla esim. jäällä olevalla polanteella osakaasulla tasaisella nopeudella. Tarkkaile moottorin kierroksia ja käännä kelkka umpiselle. Kelkan nopeus luonnollisesti pienenee, moottorin käynti muuttuu ja kierrokset putoavat, mutta vain hetkeksi. Hyvä voimansiirto osaa reagoida muuttuneisiin olosuhteisiin ja vaihtaa alaspäin, jolloin kelkan nopeus pienenee, mutta moottorin kierrokset jäävät alkuperäiselle tasolle.

Edellä olen pyrkinyt selvittämään kytkin/variaattoriyhdistelmän toimintaperiaatetta. Olen yksinkertaistanut toimintamalleja niin, että jokainen kelkkailija voi ymmärtää oman ajokkinsa "vaihdelaatikon" toimintaa. Tämän päivän moottorikelkoissa ko. systeemi toimii yleensä hyvin, silloin kun kaikki on kunnossa. Systeemin perusheikkous on kuitenkin hyötysuhde, joka on luokkaa 80-85 % vakiokelkoilla. Mikäli moottorissa on 100 hv 8000 r/min pyörimisnopeudella, sadaan variaattorin akselilta ulos vain 84 hv:a l. kytkin/variaattoriyhdistelmän hyötysuhde on hävinnyt 16 hv. Hammaspyörävälityksellä päästään, vertailun vuoksi, n. 95 % hyötysuhteeseen eli vastaavassa tapauksessa vain 5 hv:a hukkuisi vaihdelaatikon sisään. Hihnavoimansiirrossa on hihnalla vierintävastuksensa, sillä joutuuhan hihna tekemään pari mutkaa kiertäessään kytkimen ja variaattorin väliä. Hihna myöskin luistaa aina jonkin verran, varsinkin kytkimen lautasilla, tämä näkyy mm. kytkimen melkoisena lämpenemisenä kovassa ajossa. Lämpö onkin yksi merkittävä tekijä, joka aiheuttaa ongelmia niin hihnojen kuin kytkimen ja variaattorin laakerointien kestävyyteen. Lämpeneminen lisää hihnan luistoa ja luisto kulumista. Hihnan kuluminen tulisikin kompensoida säätämällä variaattorin lautasten sulkeutumista, kuten edellisen numeron huoltojutussa todettiin.

Edellytyksenä komponenttien herkälle toiminnalle on hyvä laakerointi ja pienet toimintavälykset, mutta suuret lämpötilanvaihtelut vaikeuttavat sovitteiden suunnittelua ja osin asettavat rajoituksia voitelulle. Kulumisesta aiheutuva hihnapöly tunkeutuu joka paikkaan ja on vaikeuttamassa osien kitkatonta toimintaa.

Palataanpa alkuun. Edellytyksenä kiilahihnavariaattorin toiminnalle on: kytkimen ja variaattorin oikea linjaus, komponenttien puhtaus, oikea voitelu, laakerointien sallituissa rajoissa olevat välykset ja hihnan kireyden oikea säätö. Kun tuo säätö on hihnan kulumisen kompensoimiseen tarkoitettu säätö; tietysti voit aina ostaa uuden hihnan. Tämän päivän kelkat ovat valmistajan taholta säädetty niin hyvin kelkkojen käyttötarkoitusta ajatellen, että vaatii muutakin kuin ns. "asiantuntijan" tekemään säädöistä alkuperäistä paremman. Tietysti, jos käytät kelkkaasi poikkeuksellisesti tai teet muutoksia moottoriin, telamattoon, toisiovälitykseen tms., on todennäköistä, että kytkimen ja/tai variaattorin muuttuminen antaisi paremmin uusia olosuhteita vastaavan tuloksen. Kytkimessä voi muuttaa jousta, jousen esijännitystä, painojen massaa, painojen muotoa ja TRA-kytkimessä pinnassa olevan rullan vastuspintaa eli ramppia ja vielä rampin kulmaa. Yhteen kytkintyyppiin on saatavana parikymmentä erilaista jousta ja useita kymmeniä erilaisia painoja, joten säätövaihtoehtoja on lähes rajattomasti. Variaattoriin on saatavana useita eri nousukulmalla olevia nokkakappaleita ja muutamaa jousivaihtoehtoa. Jousen esijännitystä voidaan yleensä säätää 5-10 eri kireyteen. Vaihtoehtoja on runsaasti ja jos sopivaa ei näistäkään löydy, niin aina on olemassa hitsauskone ja viila. Ennenkuin alatte hitsaamaan ja viilaamaan lukekaa MK-lehden numero 1/95. Seuraavassa artikkelissa paneudumme kytkimen ja variaattorin säätöön.