Italialainen Alter Ego -niminen yritys ja sen johtaja, mekaniikka- ja automaatioinsinööri Edyson Pavilcu kertovat kehittäneensä prototyypin maailman ensimmäisestä hammasrattain toteutetusta CVT-vaihteistosta. Yhdessä Milanon ammattikorkeakoulun kanssa kehitetty monimutkainen mekanismi on yli 10 % tehokkaampi kuin tavanomainen hihnavetoinen CVT-vaihteisto. Se kamppailee tehohäviön vähyydessä jo perinteisen mekaanisen vaihteiston kanssa.
Manuaaliset vaihteistot ovat hyvin tehokkaita, ne välittävät noin 95-98 % moottorin tehosta vetäviin pyöriin. Mutta rajoituksena on se, että vaihteita on vain rajallinen määrä, vaikka käytössä olisi automaattivaihteistokin, joten moottorin väännön / voimantuotossa on gäppejä siellä, missä niitä ajon aikana saatettaisiin tarvita. Kun vaihde on valittu, välityssuhde on kiinteä, joten moottorin kierroslukua pitää muuttaa, jos haluat kiihdyttää tai hidastaa. Tällöin liikutaan optimaalisen tehoalueen suhteen vain sen lähimaastossa, harvoin kohdalla.
Merkittäväksi Alter Egon Ratio Zero -ratkaisun tekee se, että sen hyötysuhde on hyvä. Lisäksi se tarjoaa pehmeästi portaattomasti säätyvät välitykset nollasta ylivaihteelle riippumatta siitä, pyörivätkö pyörät tai kampiakseli. Se mahdollistaa siten myös kytkimettömän voimansiirron. Lisäksi portaattomasti säätyvä välitys mahdollistaa optimaalisen polttoainetehokkuuden, eli moottorin toimimisen sopivimmalla vääntöalueella, tai vaikkapa maksimaalisen kiihtyvyyden, halutulla ajonopeudella.
CVT- eli Continuously Variable Transmission -vaihteiston rakenne on periaatteessa sellainen, että siinä on kaksi kooltaan muuttuvaa väkipyörää joiden välisestä voimansiirrosta vastaa hihna. Välitysten portaattomuus perustuu siihen, että toisen väkipyörän kokoa suurennetaan ja toisen vastaavasti pienennetään tarpeen mukaan siten, että hihna säilyy samalla tiukalla.
Siten moottorin kierroslukua voidaan pitää jatkuvasti parhaan tehon tai väännön kierrosalueella, ja vaihteiston välitykset sopeutuvat tilanteeseen. CVT-vaihteiston tehokkuus ei yllä hammasrattailla toteutettujen vaihteistojen tasolle, vaan on luokkaa 80-86 %.
Alter Egon RatioZero CVT-vaihteisto, läpileikkaus.
RatioZeron rattain toteutettu CVT-vaihteisto
RatioZero-vaihteistolle on haettu jo kahta patenttia, mutta ratkaisu on vielä konsepti-, testaus- ja kehitysvaiheessa, ja hankkeen eteenpäinviemiseksi ollaan hakemassa joukkorahoitusta.
Kysymys tietysti kuuluu, miten kiinteän kokoisten hammasrattaiden avulla voidaan toteuttaa portaattomasti muuttuva välityssuhde? Ratkaisu on mekaanisesti monimutkainen, täytyy nostaa hattua henkilölle, joka on onnistunut visioimaan sen mielessään ennen toteuttamista.
Portaattomasti säätyvässä hammasratasvaihteistossa hyödynnetään kolmea liikkuvien vipuvarsien päässä olevaa ratasta, joista jokainen hoitaa ympyrän kehällä oman hetkensä vetovastuusta ollen muuten "vapaalla". Vipuvarsien pituutta muuttamalla saadaan aikaan muuttuvat välityssuhteet, sillä ne muuttavat kolmen rattaan muodostaman kehän kokoa.
Siten vääntö sisääntulosta jaetaan ulosmenoon vakaasti, mutta vain yhdellä näistä kolmesta rattaasta kerrallaan.
Välityssuhdetta muutetaan siten, että jokainen näistä kolmesta rattaasta on kiinnitetty kaarevaan vipuvarteen. Jokainen niistä on kiinnitetty vapaasti pyörivään akseliin, joka on kiinnitetty omaan vetorattaaseensa. Pääsisäänmenorataskehä kääntää jokaista näistä kolmesta vetorattaasta, joten ne pyörivät aina, kun sisääntuloakselikin.
Kun kaareviin vipuvarsiin yhdistetyt akselit ovat vetorattaiden sisällä, vetorattaat voivat pyöriä vapaasti ja akselit pyörivät vapaasti niiden kanssa. Tämä on vaihteiston vapaa. Ulostuloratas pysyy paikallaan.
Mutta akselit voidaan siirtää sivuun vetorattaista liukuvan aktuaattorin avulla, joka vähitellen työntää kaikki kolme akselia pois, ulommas keskustasta. Nyt kun vetorattaat pyörivät, akselit alkavat pyöriä ja vipuvarret liikkuvat edestakaisin. Siten veto siirtyy lopulta ulosvientirattaaseen tai -akseliin. Kukin kolmesta rattaastaryhtyy hoitamaan omaa vetovastuun pätkäänsä ja vapautuu aina välillä kehärattaan kierroksen aikana vuorostaan, kunnes toimii uudelleen.
Mitä kauempana akselit ovat vetorattaista, sitä isompi välityssuhde on ja sitä nopeammin tehoa ulos vievä ratas pyörii.
Alter Egon RatioZero CVT-vaihteisto. Elliptiset rattaat ratkaisevat vedon tasaisuuteen liittyneen ongelman.
Elliptinen ratas ratkaisu
Alkuun ongelmana oli, että kolme ratasta ei pystynyt pitämään ulosvientirattaan nopeutta vakiona, koska siihen jää ikäänkuin väli rattaasta toiseen siirtymisessä. Ratkaisu on kuitenkin jo kehitetty: ellipsin muotoisiin rattaisiin siirtyminen poisti ongelman.
RatioZero-vaihteistoa voidaan hyödyntää polkupyöristä raskaaseen kalustoon ainakin aikanaan. Toistaiseksi vaihteistosta on polkupyörään asennettu prototyyppi. Siinä joystickillä ohjataan pientä sähköistä moottoria, joka muuttaa välityssuhdetta tarpeen mukaan 0-600 % välillä. Välitysuhde tulee aikanaan valituksi automaattisesti.
Alter Egon RatioZero CVT-vaihteiston proto asennettuna polkupyörään.
Alter Ego on rakentanut lisäksi useita muita prototyyppejä ja seuraava askel on asentaa yksi bensiinimoottorin jatkeeksi. Tiimi on asentamassa CVT-vaihteistoaan Yamahan T-Max-skootteriin seuraavaksi konseptin toimivuuden todisteeksi. Tavoitteena on luonnollisesti sitä kautta myydä ratkaisu mp-valmistajien käyttöön.
Vaihteistoa voitaneen toki hyödyntää myös tuulivoimaloissa, sähköpolkupyörissä, lumikelkoissa jne. Mutta vielä on luultavasti paljon tutkimus- ja kehitystyötä tehtävänä, ennen kuin ratkaisusta tulee arkipäivää.
Asiasta kertoi New Atlas. Lisätietoja Alter Egon sivuilta täältä.
Alla on kaksi videota, joista ylemmässä selitetään erinomaisen hyvin ja perusteellisesti RatioZeron portaattomasti säätyvän CVT-automaattivaihteiston toiminta. Voit katsoa videon myös täällä.
Alempi on toteutettu animaationa, ja kuvaa RatioZeron toimintaperiaatetta. Voit katsoa sen myös täällä.