Fuller-vaihteisto

Fuller-vaihteistoksi kutsutaan Eaton Corporationin valmistamaa synkronoimatonta Eaton Fuller -vaihteistoa. Vaihteistoa on käytetty Suomessa Sisun raskaissa sora- ja tukkiautomalleissa. Fuller-vaihteistoa käytetään myös useissa amerikkalaisissa kuorma-autoissa. Sisun S- ja E-sarjaan on ollut saatavana myös synkronoitu versio.
Sisun kuorma-autoissa käytetään Fuller Roadranger vaihteistoja jotka ovat joko 13+2 tai 18+4 -vaihteisia. Sisu ja Iveco ovat käyttäneet myös Fuller Twinsplitter -mallia, joka on 12+3 vaihteinen.
Roadranger Twin - RT/RTO.
Eaton on käyttänyt Fuller Roadranger markkinointinimeä jo 1950-luvulla. Tässä artikkelissa käytetään hiukan tuoreempana esimerkkinä kahdella sivuakselilla (twin) varustettua 13 vaihteista mallia RT-13, sillä sen avulla voidaan selittää mm 9- ja 18-vaihteisten toiminta. Roadranger Twin sanojen ohella tyyppinimissä esiintyy Overdrive sekä Low inert. Löytyy Eatonin patentteja haulla low inertia, mutta on hankala selvittää milloin ja miksi low inertia otettiin tyyppinimeen.
Artikkeli on laajentunut ja sen voi nykyisin jakaa osin 1) miten RT-13 vaihteistoa voi ajaa, 2) miten RT-13 vaihteistoa pitäisi ajaa sekä 3) miksi RT-13 vaihteistoa pitää käyttää tavalla 2). Osassa 1) sivutaan synkronoimattoman vaihteiston käyttöä yleensä ja Sisu SK auton ajamista erityisesti. Valmistajan sekä kirjallisiin ohjeisiin, sähköiseen varaosatietoihin sekä videoihin perustuva kohta 2) perustuu nimenomaan 13 vaihteisen mallin rajoituksiin. Esitteiden perusteella vertaillaan RT vaihteistoja kahteen kilpailijaan. Miksi osassa on selitetty tietyin yksinkertaistuksin raskaan kuorma-auton vaihteiston toimintaa ja syitä monimutkaisilta sekä irllallisilta tuntuviin käyttörajoituksiin.
Historiaa.
Charles M Perkikings on kirjoittanut 7 sivuisen SAE artikkelin[The Fuller family of twin countershaft transmissions: A new concept for heavy duty service. Society of Automotive Engineers . January 1, 1963] sekä saanut 1967 patentin . Vuodelta 1967 löytyy korjaamo-ohje mallille RTO-913. Sisu SK 210 vm 1991 on varustettu mallilla RTO-11613 ja vielä 2020 on myynnissä lähes samanlainen malli RTLO-16913A. Eaton UltraShift plus robottivahteistot on rakennettu em. konstruktion ympärille.
Ajaminen.
Synkronoimattomalla ajamisessa oleellista on ”vaihtaa vapaalle”, vaihdettiinpa ylös/alas (isomalle/pienemmälle vaihteelle) on jossain vaiheessa kytkimen oltava ylhäällä/kytkemättä kun vaihde on vapaa-asennossa. Koska ei ole automaattista mekanismimia joka sovittaa hammaspyörien nopeuserot, on pääakselia joko nopeutettava tai hidastettava silloin kun mikään vaihde ei ole kytkettynä. Jos kytkinpoljin on poljettuna, ei pää- ja sivuakselin nopeuseroja voi muuttaa kuljettajan toimesta.
Synkronoimattomalla vaihteistolla käytetään yleensä pienemmälle vaihdettaessa välikaasua. Tämä tarkoittaa, että kuljettajan on kiihdytettävä moottorin avulla vaihteiston sivuakseli pyörimisnopeuteen, jolla seuraavaksi kytkettävän vaihteen hammaspyörien kehänopeudet ovat yhtä suuret. Vaihdettaessa suuremmalle vaihteelle kuljettajan on vastaavasti hidastettava sivuakselia moottorin avulla kaksoiskytkentää käyttäen.
Fullerin yhteydessä käytetään kytkintä jossa on liikkeelle lähtöä varten kytkinjarru, joka pysäyttää sivuakselin, kun kytkinpoljin painetaan pohjaan. Auton liikkuessa kytkinpoljinta painetaan ns. tuntoon saakka, jolloin kytkinjarru ei vielä pysäytä sivuakselia. Ilman kytkinjarrua sivuakseli pyörii useita sekunteja kytkimen avaamisen jälkeen (eikä vaihdetta voi kytkeä), jarrun avulla liikkeelle lähtö nopeutuu. Kytkinpolkimen liike on kaksivaiheinen, ensin yhteys irtoaa ja poljin pohjassa kytkinjarrulevyt alkavat jarruttaa. Kytkinjarru tuhoutuu jos sitä käyttää auton ollessa liikkeellä.
Kokeneet kuljettajat käyttävät Fuller-vaihteistolla varustettua autoa ajaessaan kytkintä vain liikkeelle lähtiessään. Auton liikkuessa vaihteisto saadaan vapaalle löysäämällä kaasua ja tempaisemalla vaihdevivusta, tarvittava voima rippuu ajoituksesta. Seuraava vaihde saadaan kytketyksi säätämällä korvakuulolla moottorin pyörimisnopeus sellaiseksi, että seuraavaa vaihdetta vastaavien hammaspyörien kehänopeudet ovat likimain yhtä suuret. Ylöspäin vaihtaessa voi seuraavan vaihteen työntää saman tien päälle vapaa asennosta ilman kytkintä, alaspäin vaihtaessa tarvitaan sopivasti välikaasua (vaihde vapaalla/juuri kytkeytyessä moottorin pitää kiertää sillä nopeudella jolla ajo jatkuu vaihtamisen jälkeen). Käytännössä hommaan vaikuttaa auton kuorma, vaihteiston nopeusalue ja moottori, esimerkiksi Sisu SK Cummins koneella ja hitaammalla vaihdealueella (Fuller) aavistuksen myöhästynyt ylöspäin vaihtaminen tarvitsee välikaasua, sillä LTA10 moottori on ehtinyt tiputtaa kierroksia enemmän kuin mitä peräkkäisten vaihteiden välityssuhde edellyttää.
Yleisesti ottaen kuorma-autojen vaihteiston käyttö eroaa oleellisesti henkilöautojen (manuaali) vaihteistosta, kaikki vaihteet eivät ole yhden vivun takana. Em SK210 Sisussa on Fullerin nopean ja hitaan alueen ohella omat ekstransa kummallekin alueelle. Vain hitaalla alueella voidaan vaihdekepin kaaviosta valta ryömintävaihde (0) ja sitten kaaviosta vaihteet (1), (2), (3) ja (4). Nopealla alueella on käytössä kertoja/puolitus, joten vaihteet jatkuvat vaihdekaavan 1/5 on nopella puolella (5), josta kertojalla tulee seuraava välitys (6), seuraava vaihde on vaihdekaavan nopea 2/6 ilman kertojaa (7) ja kertojalla (8), vaihdekaavan 3/7 ilman (9) ja kertojalla (10) sekä viimein vaihdekepin asento 4/8 kertojalla (12) että ilman (11). Kuin muistetaan että aloitettiin 0:sta, saadaan 13 vaihdetta eteenpäin sekä nopean/ylä että hitaan/ala alueen pakit.
Kaikkia vaihteita ei yleensä käydä kiihdytettäessä läpi, kun tyhjällä autolla kiihdytetään 0–80 kmh, voidaan aloittaa suoraan hidas 2, 3, 4 sitten nopea 5, 6, 7, 8 ja lopulta kertoja päälle, jolloin kone kehrää 1570 rpm. Alaspäin mennessä ei tarvitse käydä edes noita läpi, riittää kun muistaa poistaa kertojan ja vaihtaa aluetta ennen kuin ollaan kävely/pyöräilynopeudessa, sitten moottoriin vaihteen vapaalla ollessa ne kierrokset jolla ajoa sopivalla ala-alueen vaihteella jatketaan ja vaihteen voi työntää päälle helposti ilman kytkintä. Mikäli mokaa koneen kierrosluvussa, ei ”ylimääräinen” kytkimen painallus vapaalta vaihdekeppiä poistyönnettäessä auta mitään, vaan kuski tuntee vaidekepin tärinän ja kaikki kuulevat hammaspyörien protestiäänen.
Toinen merkittävä ero henkilöautoihin on käytössä olevassa kierroslukualueessa. Se on maksimikierroksiltaan alle puolet sekä taloudellisen käytön kannalta kapea ”vihreäalue” vain muutamia satoja kierroksia, esimerkki SK210:ssa taloudellinen alue on 1300-1900 rpm. [Oy Sisu-Auto Ab Tekninen kirjallisuus N:o 633.0291]
Onko 13 käyttökelpoista vaihdetta eteenpäin tarpeeksi? Vaikka perävaunuttomalla kuorma-autolla ajettaisiin soraa, on vaihteita tarpeeksi. Tieverkon ulkopuolella ongelmaksi tulee yleensä liukkaus tai maaston pettäminen vetävien pyörien alta. Talvella liukkauden vaikutuksia eteenpäin menon pysäyttäjänä voi vähentää 6x2 SK Sisussa lisäämällä painoa vetävälle akselille nostamalla teliä. Sulan maan aikana keinoa kannattaa yrittää, mutta lopputuloksena on helposti kuoppa vetävien pyörien kohdalla. Menon pysähtyessä toki kannattaa ensimmäisenä kokeilla tasauspyörästön lukkoa.
Valmistajan ohjeita.
Nykyisen mallin RTLO-18913A massa on 324 kg, ja se on lähes synkronoimaton. Vertailukohdaksi voi ottaa täysin synkronoidun ZF 16 S 2530 TO vaihteiston, jonka massa 314 kg ja jonka momentinkesto on sama. Yksi sivuakselisen ZF-Ecosplitin eduksi voi laskea myös yksinkertaisemman vaihdekaavion.
Kuorman jakamista useammalle sivuakselille on vienyt pidemmälle Mack, joka käyttää Maxtorque ES mallistossa kolmea sivuakselia.
RT vaihteiston toiminnasta.
Eaton käyttää samaa kaaviokuvaa selittäessään voimansiitymistä RT-9, RT-13 ja RT-18 vaihteistossa, Eaton laskee vain eteenpäin vievät vaihteet tyyppinumeroissaan. Tosielämässä vaihteistot eivät tietenkään ole täysin identtisiä, mutta myynnissä on ollut muunnossarja jolla 9 vaihteinen versio muunnetaan RT-13 malliksi vaihtamalla osia 2.vaihteistoon. Tässä jaksossa käytetään termien alue-, lisä-, alennus-,puolitusvaihteisto (aux, range, split) sijasta termiä 2. vaihteisto syystä joka selviää myöhemmin.
Henkilöautoihin ja kevyessä käytössä oleviin kuorma-autoihin riittää yksi vaihteisto. Kun vaihteiden määrä kasvaa ja välityssuhdealue laajenee, käytetään yleensä apuna 2. vaihteistoa. Jälkimmäinen vaihteisto on yleensä paineilmakäyttöinen. Roadranger  2. vaihteiston käyttönapit näkyvät kohdan Ajaminen osakuvassa.
Ensimmäisessä kaavakuvassa RT-lo-main.png on vaihdevivulla operoitava (pää)vaihteisto. RT-13 päävaihteistossa on 5 nopeutta.  Yksinkertaistettuun kuvaan on jätetty piirtämättä peruutusvaihteen ja voimanottoakselin rattaat. Rattaiden koko ja asema sivusuunnassa on satunnainen. Kytkentäholkeista on piirretty vain kytketyn vaihteen kytkentäratas. Varaosasovelluksesta on otettu kuvakaappaus kuvassa RToSpare.png RT-11613 vaihteiston pääakselin todellisesta rakenteesta, holkki numero 8 kytkee tehoa välittävän rattaan pääakseliin. Teho siirtyy vasemman reunan keskimmäisen rattaan kautta vihreänä näkyviin sivuakseleihin, jotka siis aina pyörivät moottoria hitaammin (mikäli kytkin ei ole pohjassa ja auto liikkeellä riittävän lujaa). Sivu- ja pääakselilla on 4 rattaisistoa jotka valmistaja on nimennyt Lo-, 1-, 2-, 3- rattaiksi. Kuva esittää ryömintävaihdetta (Lo) jolloin pääakselin kytkentäholkki on yhdistänyt pääakselin suurimman rattaan itse pääakseliin.
Voi herätä kysymys miten saadaan pääakselin 4:llä rattaalla 5 vaihteinen vaihteisto? Kuvassa RT-dir-main-pg.png on kuvattu tilanne jossa kytkentäholkki on yhdistänyt pääakselin suoraan sisääntuloakseliin. Tässä tapauksessa sivuakselit pyörittävät rattaita Lo, 1, 2 ja 3, mutta teho siirtyy suoraan vihreällä väritettyyn pääakseliin. Vanhoissa henkilöautoissa tällainen ”suora” voimansiirto oli yleensä suurin vaihde. Aikaan jolloin vaihteita oli vähän yleistyi termi ylivaihde. Ylivaihde ei ole kovin mystinen, esimerkkivaihteiston suurin vaihde pyörii nopeammin kuin sisääntuloakseli. Huomaatko heikkouden kuvaan valituissa välityksissä?
2. vaihteisto voi olla erillinen, mutta RT-13:ssa se on rakennettu samoihin kuoriin päävaihteiston kanssa. Kuvassa RT-aux-slpit.png on (split)paineilmasylinteri työntänyt kytkentäholkin asentoon jossa keskimmäinen ratas on kytketty 2.vaihteiston pääakseliin, tämä kytkentä on Roadranger vaihteistoissa synkronoitu. Kuvan välityssuhteilla 2. pääakseli pyörii (hiukan)nopeammin kuin päävaihteiston pyörittämä sisääntuoloakseli. Kyseessä siis on RTO-13 vaihteisto joka puolitus/kertoja/jakaja (split) toiminnolla saa aikaan hiukan suuremman (Od) välityksen verrattuna suoraan (dir) valintaan, jolloin kytkentäholkki yhdistää 2. pääakselin suoraan sisääntuloon.
Kuvassa RTO-LoLo-pg.png on esitetty tilanne jossa on valittuna ryömintävaihde. 2.vaihteistosta on käytössä se yhdistelmä, joka aiheuttaa kaikista suurimman pyörintänopeuden pudotuksen. Mustalla viivalla on kuvattu tehon siirtyminen vaihteiston läpi. Nyt 2. vaihteisto toimii aluevaihteistona (range). RT-9 vaihteistossa 2.vaihteisto on lähinnä yhdistetyssä split/range käytössä ja 2. vaihteiston suoraa välitystä ei käytetä. RT-13 vaihteistossa 2. vaihteistolla tehdään sekä aluevaihteisto (kuvan Kuvassa RTO-LoLo-.png tilanne 2. vaihteistossa). Koska aluevaihteiston käyttö alennusvaihteena ”varaa” 2. pääakselin, ei puolitus/kertoja toiminto voi olla käytössä yhtä aikaa. Kun isompi alue (range) on valittuna, voidaan pääakseliin kytkeä joko keskimmäinen rattaisto tai sisääntulo suoraan. Ohje O5 perustuu siis geometriaan.
Eaton 2. vaihteistosta on siis käytetty joko 2:ta välityssuhdetta (RT-9) tai vuorotellen kolmea (RT-13). Kuinka RT-18 tapauksessa 2+1 rattaistolla on saatu 4 välitystä, kun päävaihteiston 4+1 rattailla saadaan aikaan vain 5? Konstruktion teknisen kehityksen huippuna voidaan pitää RT-18 konfiguraatiota, jolloin 2.vaihteiston käyttömahdollisuuksia on lisätty vaihtamalla tehoa sisään syöttävää ratasta. Päävaihteistossa teho kulkee aina sisääntuloakselin rattaan kautta/yli. RT-18 tapauksessa 4. välitys on saatu aikaan vaihtamalla välillä 2. vaihteiston tehoa syöttäväksi pyörästöksi keskimmäinen [TRSM0670EN-US_0913.pdf sivu 32 jolla on muuten myös painovirhe].
Rajoitus O8 perustuu rattaiden laakeroinnin puuttumiseen. Kun vaihde on vapaalla ja ulostulo pyörii, pyörii pääakseli paikallaan (jos moottori sammuksissa ja kytkin ylhäällä tai käydessäkin pienemmällä nopeudella pyörivän sivuakselin suhteen) pysyvien hammarattaiden keskellä. Varaosakuvasta näkee ettei varsinaista laakerointia ole ja kosketuspinnat ovat pienet. Lisäksi tilanne vaikuttaa akseleiden laakereiden voiteluun.
Ryömintävaihteen käyttökielto nopeammalla alueella (O4) perustellaan kulumisen kasvulla ao yhdistelmällä. Toisaalta kun katsotaan välityssuhteita huomataan että nopean alueen ryömintävaihde antaa yhden desimaalin tarkkuudella saman välityssuhteen kuin ala/hitaan alueen suurin vaihde, sen käytössä ei ole mieltä [Voi olla että insinöörit ovat joutuneet pelottelemaan myyntihenkilöitä kulumisella, jotta ei myytäisi tuotetta nimellä RT-10, RT-15 ja RT-20. Tämä on TKK:lta valmistuneen autoinsinöörin arvaus.] Jos valmistajan ohjeista ei välitetä ja käytettäisiin nopealla alueella vaihdetta L voisi sen kanssa käyttää kertojaa (jolloin kyseessä olisi vaihde 4 Overdrive kuvassa ”Mitä osaa et...”). Vaihde 4O olisi kuitenkin vain 17 % suurempi kuin suurin ala-alueen vaihde, eikä se vieläkään olisi käytännöllinen, sillä moottorin kierroslukualue riittää hyvin vaihteiden 4 (ala-alue) ja 5 (pienin ”Direct” yläalueella) välillä.
Osa 2. vaihteiston käyttörajoituksista johtuu sitä ohjaavasta paineilmajärjestelmästä. Kaaviokuvasta näkyy, että venttiilit ovat esiohjattuja. Esiohjaus on pneumatiikan vastine transistorin kannalle: pieni määrä paineilmaa ohjaa varsinaisen toiminnon suorittavaa venttiiliä. Aluevaihto edellyttää vaihdekepissä olevan vivun kääntöä ja vaihteen olemista vapaana: kuvassa keskellä näkyvä venttiili jonka vieressä teksti ”gear neutral”. Vastaavasti kertoja/puolitus/split sylinteri lähtee toimimaan heti, joten kannattaa painaa kytkin pohjaan välittömästi (O9).
Välityssuhteiden erot eri vaiheiden välillä näkyvät kaaviokuvassa (80-luvun sora-auton vaihdevälitykset. Päävaihteiston portaat välityssuhteessa ovat noin 35 % eri vaihteiden välillä. Vaihteesta 5 ylöspäin on käytettävissä oleva kertoja/puolitus/split tiputtaa portaat noin 17 %:iin. Polttomoottoria voi pienillä tehon tarpeilla kuormittaa matalahkoilla kierroksilla: pienempien kulkuvastusten takia vaihteilla L - 4 on käytettävissä laajempi kierroslukualue kuin esim. lähellä huippunopeutta käytettävän vaihteen 8 (12. tai 13. vaihde riippuen slpit-toiminnosta) tapauksessa. Ainakaan perävaunuttomalle sora-autolle ei olisi hyötyä mahdollisuudesta puolittaa vaihteet L - 4.
Kokonaisvälityssuhde riippuu polttomoottoriautoissa aina myös tasauspyörästön välityssuhteesta sekä erittäin raskaassa käytössä olevien kuorma-autojen kohdalla myös vetävän pyörän navassa olevasta alennusvaihteesta. Tyypillissä Roadranger 13 vaihteistossa pienimmän ja suurimman välityssuhteen ero on noin 1:17. Teoriassa nopeudella x moottori pyörisi 17 kertaa nopeammin vaihteella L kuin suurimmalla vaihteella 8 Overdirve/13. vaihde, käytännön tilannetta kuvaa 80-luvun sora-auton vaihdevälitykset.
Synkronoimattomuuden etuja ja haittoja.
Synkronoimattoman vaihteiston käyttö on käsien ja jalkojen koordinaatiovaatimusten vuoksi vaikeampaa kuin synkronoidun, joka toisaalta on hitaampi kuin synkronoimaton. Synkronoimattoman vaihteiston suurin etu on erittäin nopeat vaihdot ylös ja alaspäin mutta tämä vaatii kuljettajalta kokemusta. Vasta-alkajalle synkronoimaton vaihteisto on hankalakäyttöinen.
Säätötekniikan kehittymisen myötä on tullut mahdolliseksi toteuttaa taloudellisesti kannattavia automaattisia vaihteistoja, jotka yhdistävät perinteisen automaattivaihteiston helppokäyttöisyyden ja perinteisen synkronoimattoman lieriöpyörävaihteiston taloudellisuuden ja nopeuden.