En viktig funktion för att driva andra större enheter på lastbilar är användningen av kraftuttag (PTO, Power Take-Off). Dessa enheter utnyttjar den mekaniska energin från motorn för att driva olika funktioner, som exempelvis tippfunktioner på dumpers, kranfunktioner, betongpumpar, sopmaskiner, vinschar och vattenpumpar. PTO-systemen spelar en avgörande roll i att möjliggöra dessa tilläggsfunktioner. Vanligtvis används PTO-enheter för att först driva en hydraulpump, som sedan förser andra funktioner med den nödvändiga hydrauliska energin. Det finns två huvudtyper av PTO-enheter: de som är direktdrivna av motorn (motorberoende PTO) och de som är monterade på växellådan bakom kopplingen.

Motorberoende PTO-enheter är inte beroende av växellådan och kan drivas direkt av vevaxeln eller via ett kugghjulssystem eller kamaxeln. PTO-enheter som är monterade på växellådan är däremot mer komplexa. I detta fall kan kraftöverföringen ske via en speciell kugge på motaxeln eller genom att ett axeluttag monteras vid slutet av motaxeln. Det finns en skillnad i hur kraften fördelas beroende på PTO-enhetens konstruktion och funktionalitet.

Överföringssystemet är ett centralt element i drivlinan, där dess uppgift är att överföra och fördela kraften från motorn till hjulen. I lastbilar med framdrivning på framaxeln används ofta en separat överföringslåda som är monterad på chassit. Denna låda är ansluten till växellådan via en propelleraxel och fördelar kraften mellan fram- och bakaxlarna. I tunga lastbilar kan överföringslådan också ha en funktion för att koppla bort framaxeln vid behov, vilket gör det möjligt att byta mellan fram- och bakhjulsdrift. Vid svåra vägförhållanden kan vissa överföringslådor också erbjuda en lågväxel, vilket gör att hjulens rotationshastighet minskar samtidigt som dragkraften ökar.

Vid överföring av kraft i eldrivna lastbilar är situationen mer komplex. En e-axel kombinerar flera funktioner från den traditionella drivlinan i ett enda aggregat. Den ersätter dieselmotorn genom att tillhandahålla både kraft och vridmoment, men också transmissionens funktion av att omvandla vridmoment och hastighet. E-axlar är ofta konstruerade för att hantera höga varvtal, eftersom elmotorer opererar vid högre varvtal än dieslar. Därför krävs en stor utväxling för att omvandla dessa höga hastigheter och låga vridmoment till det önskade vridmomentet för tunga lastbilar.

När det gäller elektriska lastbilar, kan PTO-enheter integreras i transmissionen, eller så kan lastbilen vara utrustad med en separat elektrisk motor för att driva påbyggnaden. En annan lösning är att elektrifiera själva påbyggnaden, vilket eliminerar behovet av mekanisk drivenergi för att köra påbyggnaden. Detta kan göras genom att använda en elektrisk motor som via en drivaxel driver funktioner som liknar de traditionella dieselmotorernas drivning av påbyggnader.

I en traditionell dieseldriven lastbil är kopplingen en viktig komponent som gör det möjligt att koppla bort motorn från resten av drivlinan. Detta är avgörande för att starta motorn, växla mellan växlar och stoppa fordonet. Kopplingen bidrar också till att dämpa de vridmomentspulser och vibrationer som kan uppstå från förbränningsmotorns drift. Friktionskopplingen, eller torrkopplingen, är den vanligaste typen av koppling och fungerar genom att pressa samman två ytor för att överföra vridmomentet mellan motorn och växellådan.

För att förstå den moderna drivlinans funktioner och effektivitet är det viktigt att betrakta de olika systemens samverkan. Transmissioner och överföringssystem i lastbilar är inte bara tekniska komponenter utan en integrerad del av hela fordonets prestanda och funktion. Den ökande användningen av elektriska drivsystem förändrar synen på dessa komponenter och skapar nya möjligheter för hur energi kan utnyttjas i tunga fordon. I elektriska lastbilar ställs krav på effektivitet och kompakt design, vilket innebär att nya lösningar för transmission och drivsystem måste utvecklas för att möta dessa behov.

Hur utformar man drivlinan för tunga lastbilar och kommersiella fordon?

Drivmotstånd består av en viktberoende komponent som krävs för att övervinna lutningen, en viktberoende rullmotstånd samt ett hastighetsberoende aerodynamiskt motstånd. Drivmotståndet kan beskrivas matematiskt enligt formeln:

Fdriv=ρ⋅v⋅A⋅cd2+mtotal⋅g⋅croll⋅cos⁡(α)+mtotal⋅g⋅sin⁡(α)F_{\text{driv}} = \frac{\rho \cdot v \cdot A \cdot c_d}{2} + m_{\text{total}} \cdot g \cdot c_{\text{roll}} \cdot \cos(\alpha) + m_{\text{total}} \cdot g \cdot \sin(\alpha)

Där ρ\rho representerar luftens densitet, vv är fordonets hastighet, AA är frontarean, cdc_d är luftmotståndskoefficienten, mtotalm_{\text{total}} är fordonets totala vikt, gg är accelerationen på grund av gravitation, crollc_{\text{roll}} är rullmotståndskoefficienten och α\alpha är lutningsvinkeln.

En viktig observation är att för tunga kommersiella fordon är lutningen betydligt mer avgörande än den hastighetsberoende aerodynamiska dragningen. Med ökad hastighet ökar även drivmotståndet på grund av det aerodynamiska draget, vilket tydligt illustreras i en kurva som visar drivmotståndet för en 40 tons lastbil.

För att förstå det maximala motståndet ett fordon kan övervinna, beräknas den maximala teoretiska kraften från motorns maximala effekt PmaxP_{\text{max}}. Den maximala kraften, Fmax,teoretiskF_{\text{max,teoretisk}}, är beroende av hastigheten och kan beräknas enligt formeln:

Fmax,teoretisk=Pmax,enginevF_{\text{max,teoretisk}} = \frac{P_{\text{max,engine}}}{v}

Denna kraft, eller traction-hyperbolan, förändras beroende på fordonets motoreffekt. Om det tillgängliga dragmomentet från motorn är mindre än drivmotståndet, förlorar fordonet hastighet. Om det finns ett överskott av dragkraft kan fordonet accelerera.

När det gäller drivlinans konstruktion och hur energi överförs, spelar växellådan och slutväxeln en viktig roll i omvandlingen av vridmoment och rotationshastighet. Här bortser vi från de förluster som kan uppstå i växellådan och slutväxeln, vilket är en förenkling då dessa förluster kan vara små men viktiga i andra sammanhang. Den mekaniska energin överförs omedelbart mellan transmission och axel utan att lagras:

Pin=PoutP_{\text{in}} = P_{\text{out}}

Denna relation innebär att den inmatade effekten i transmissionen omedelbart motsvaras av den utmatade effekten, där vridmomentet och rotationshastigheten konverteras enligt:

MoutMin=ωinωout\frac{M_{\text{out}}}{M_{\text{in}}} = \frac{\omega_{\text{in}}}{\omega_{\text{out}}}

Vid lägre varvtal ökar vridmomentet, och vice versa. Denna omvandling beskrivs genom växlingsförhållandet mellan in- och utgående rotationshastighet.

För att optimera effektiviteten och bränsleförbrukningen hos en dieselmotor, bör motorn köras vid lägre rotationshastigheter, mellan 1100 och 1200 rpm. Det ideala växlingsförhållandet vid dessa hastigheter är ofta 1 i transmissionen, vilket innebär att fordonet drivs effektivt i sitt huvudsakliga driftläge. Vid denna hastighet och med ett exempel på en 40 tons långtrailer kan det erforderliga växlingsförhållandet och axelns förhållande beräknas för att uppnå önskad hastighet och bränsleeffektivitet.

Det är också värt att notera att även om dieselmotorer körs effektivt vid låga varvtal, är ett lägre växlingsförhållande för axeln, i synnerhet under landsvägskörning, fördelaktigt för bränslebesparing. Med modern teknik och motorer med högt vridmoment kan fordonet ändå bibehålla tillräcklig prestanda vid dessa lägre varvtal, vilket gör det möjligt att reducera bränsleförbrukningen.

För att uppnå en smidig manövrering av tunga fordon är det också viktigt att beakta det låga vridmomentet vid låg hastighet, vilket gör att transmissionen och drivlinan är konstruerade för att effektivt hantera både höga och låga varvtal. Detta är särskilt viktigt för att säkerställa att fordonet kan manövreras lätt och smidigt vid låg hastighet utan att ge avkall på dragkraften vid högre hastigheter.

Hur fungerar en 16-växlad växellåda med delad grupp?

I en växellåda med delad grupp (range-splitter) arrangeras ofta två eller tre transmissionsgrupper i en kaskadstruktur. Fördelen med denna konstruktion är att antalet växlar som kan uppnås blir produkten av antalet växlingstrin i de individuella undertransmissionerna. I Europa är en växellåda med delad grupp, där det finns en delad grupp (med två växlingstrin), huvudtransmission (med tre eller fyra växlar) och en växeldelning (med två växlingstrin), den mest populära konfigurationen. Denna uppställning ger totalt tolv eller sexton växlar.

I denna typ av växellådor är växlingstrinn ofta utformade enligt geometriska steg, i motsats till de progressiva växlingstrinn som finns i en enskild grupptransmission. Med geometrisk steglängd är stegen mellan två angränsande växlar alltid lika stora. Denna geometriska progression underlättar kombinationen av tre undertransmissioner för att skapa en växellåda med delad grupp. Ofta är delgruppen byggd så att dess växlingssteg är hälften så stora som huvudtransmissionens, medan växeldelen ger ett större steg som motsvarar huvudtransmissionens spridning plus ett extra växlingssteg.

Med strikt geometrisk progression härleds stegräntan mellan två intilliggande växlar (φ) från den övergripande transmissionens spridning (iOverall) enligt formeln:

√(z-1) φ = iOverall, där z är antalet växlar i transmissionen.

För en växellåda med 12 växlar innebär detta att växlingarna är jämnt fördelade, vilket gör det lättare att skapa en transmission med flera växlingsstadier. I praktiken kan sådana transmissioner erbjuda ett stort antal växlar utan att det påverkar körupplevelsen på ett negativt sätt. Detta gör det också möjligt att erbjuda flera backväxlar i växellådor för stora arbetsfordon, som exempelvis byggmaskiner. För dessa maskiner, som ofta måste backa långa sträckor, kan en sådan transmission vara mycket användbar.

I fallet med en 16-växlad växellåda med delad grupp kan en växelriktning som omvänds i huvudtransmissionen kombineras med delgruppens två växlingsstadier för att producera två backväxlar. Det är även möjligt att använda de två transmissionsförhållandena från växeldelen för att skapa totalt fyra backväxlar, varav två ger högre hastigheter, vilket kan vara fördelaktigt för fordon som används för vägarbeten eller andra tunga arbetsuppgifter.

En annan viktig aspekt av konstruktionen är var växeldelen ska placeras i växellådan. För att få ut maximalt med vridmoment är det mest effektivt att placera växeldelen som styr låga hastigheter, med dess större växlingssteg, i slutet av transmissionen. Genom att placera växeldelen vid transmissionsutgången utsätts inte de övriga transmissionskomponenterna för det överskjutande vridmomentet, vilket förbättrar hållbarheten och prestanda.

Den geometri som används för att beräkna växlingsstegen är också viktig för att säkerställa att det finns en jämn kraftöverföring genom transmissionen. I en 16-växlad transmission är det möjligt att skapa en serie av växlar där de första åtta växlarna använder en planetväxel, medan de senare växlarna är direktdrivna utan att planetväxeln påverkar det totala växlingsförhållandet.

För att säkerställa en smidig användning av dessa växellådor är det också viktigt att tänka på hur växlingarna överförs från föraren till transmissionen. Externa växelsystem spelar en viktig roll här. I manuella växellådor styr föraren växlingarna med hjälp av växelspaken. Överföringen av växelsignalen kan ske mekaniskt genom kopplingssystem eller med hjälp av kablar och hydraulik, beroende på växellådans konstruktion. Detta system måste anpassas för att ta hänsyn till rörelsen av förarhytten i vissa fordonstyper.

För lägre hastigheter används ofta en så kallad krypväxel. Krypväxeln ger ett mycket högt växlingsförhållande, vilket möjliggör mycket låg hastighet, något som är avgörande för exakt manövrering i trånga utrymmen och samtidigt ger högt vridmoment vid hjulen.

Det är också viktigt att förstå att dessa transmissionssystem inte bara handlar om att förändra hastigheten på fordonet, utan att de är en central del av att optimera kraftöverföringen och maskinens prestation under olika arbetsförhållanden, särskilt när det gäller tunga arbetsfordon. Genom att korrekt konfigurera växellådans grupper och växlingssteg kan man säkerställa att fordonet levererar rätt prestanda vid rätt tidpunkt, vilket förbättrar både effektivitet och hållbarhet i tuffa arbetsmiljöer.

Hur man hanterar och kvantifierar osäkerhet vid metakognitiva beslut i maskininlärning
Hur API:er och IoT-enheter Samverkar för att Forma Vår Digitala Värld
Hur fungerar olika seriella protokoll? En jämförelse av TTL, RS232 och I2C