Valtralta uudet vaihteistot – kaksi vaihteistoa samasta paketista

Uusien Valtran vaihteistojen portaattoman Directin ja viisiportaisen Versun tulo markkinoille saa monen traktorinhankkijan miettimään uuden traktorin hankinnan yhteydessä myös uuden vaihteiston hankintaa. Kysymys pitää ehkä yhä useammin esittää niin päin, että milloin valitaankaan perinteinen portaallinen.

Yhtenä merkittävänä tekijänä uuden vaihteiston suunnittelussa oli tuotekehityspäällikkö Ville Viitasalo. Villen vastuulla on voimansiirron ja hydrauliikan tuotekehitys, jossa on 15 henkeä töissä. – Monen muunkin ryhmän panosta on tuotekehityksessä tarvittu, jotta vaihteistot ovat nyt tässä, Ville kehuu tuotekehitysorganisaatiota.

Portaattomissa vaihteistoissa on hankaluutena usein suurempi polttoaineenkulutus kuin perinteisillä vaihteistoilla. Tämä johtuu osittain siitä, että voiman siirtymiseen vaikutetaan osittain hydraulisesti. Valtra on onnistunut välttämään kaksi polttoaineen kulutusta lisäävää tekijää suunnittelussaan. Vaihteistossa ei ole tarvittu ylimitoitettuja hydraulipumppuja eikä vaihteistossa pakkoja ole kuin kaksi. Yleensä portaattomassa vaihteistossa joudutaan valitsemaan jompikumpi kulutusta lisäävä rakenne; isot pumput tai neljä pakkaa.

Pitkä suunnittelujakso

– Selvitystyötä on tehty jo vuosia. Uusia ja vanhoja yhteistyökumppaneita lähestyttiin ja heidän tarjoamiaan vaihteistoja ja vaihteistojen mukauttamista selvitettiin. Selvittelimme ja punnitsimme yhteistyökuvioita esimerkiksi AGCOn käyttämän portaattoman vaihteiston osalta. Mikään niistä ei oikein istunut tarkoituksiimme, koska silloin rakenne olisi ollut sama kuin muilla, eivätkä niiden ominaisuudet olisi vastanneet tarpeitamme, Ville muistelee.

– Selvitystyön aikana omaa kehitystyötä tehtiin koko ajan ja lopulta tästä tuli tuotekehitysprojekti, jossa oli tarkoituksena tehdä jotain poikkeuksellista. Lopputulos on nyt olemassa, kun oman portaattoman rinnalle tuli myös uusi portaallinen vaihteisto. Kun ratkaisimme ”riittävästi ongelmia”, lopputuloksena olikin siis kaksi uutta vaihteistoa. Nyt meillä on vaihteistokonstruktio, jota ei ole kellään muulla ja siitä on jätetty useita patenttihakemuksia, Ville kertoo. Ville jatkaa vielä, että jos olisimme valinneet jonkun valmiin portaattoman, emmekä malttaneet keskittyä omaan tekemiseen, emme olisi päässeet kehityksen kärkeen.

Vuosien työ

– Olen ollut mekaniikan kanssa tekemisissä jo ennen AGCO:n aikaa, jolloin päätettiin tutkia portaattomien mahdollisuuksia lisää. Vuonna 2002 oli ajettavina ensimmäiset versiot portaattomista traktoreista. Mutta sen jälkeen portaattomien kehittäminen vasta laajeni tuotekehitysprojektiksi.

Lisää vahvuuksia

– Lähdimme siitä, että Valtra on Valtra edelleen, vaikka siihen laitetaan uusi portaaton vaihteisto. Halusimme siis säilyttää ne Valtran ominaisuudet, vahvuudet, joista Valtra tunnetaan. Vahvuuksia halusimme sitten kehittää lisää. Myös liukkaan kelin ominaisuudet haluttiin pysyvän hyvinä.

– Valtran perinteiset hyvät talvikäynnistysominaisuudet, symmetrinen hyötysuhde ajettaessa molempiin suuntiin eli pakalla tehty suunnanvaihto, Twintrac -taakseajolaite ja ajovoimanotto haluttiin uusiinkin malleihin, Ville luettelee.

Pehmeää vaihtamista

Kun pikavaihteemme on planeettapyörätyyppinen, ei sivuakselityyppinen niin kuin joillain, meillä oli etu puolellamme. Piti vain todistaa, että sama rakenne saadaan toimimaan portaattomassa vaihteistossa. Tämän lisäksi tarvittiin runsaasti ohjaustekniikkaa.
Portaattoman vaihteiston pitää toimia pehmeästi, mutta veto ei saa katketa missään vaiheessa. Sisäiset pakanvaihdot pitää saada toimimaan niin, että kaksi pakkaa on samaan aikaan vain hetken kiinni. Kehitystyötä tehtiin simulointia ja mallinnusta hyödyntäen.

– Tämän oikean ajoituksen löytyminen vaihteistossa kaikkiin tilanteisiin, rasituksesta riippumatta sopivaksi oli haastavaa. Siinä sähkö- ja ohjelmistopuoli piti saada toimimaan saumattomasti mekaniikan ja hydrauliikan kanssa. Tämän tutkiminen vei aikaa, Ville muistelee.

Omaa suunnitteluosaamista

– Maailmalla alihankkijoita vaihteistopuolelle on olemassa, mutta päätimme pitää tämän pääosiltaan omana projektina ja omien seinien sisällä. Oma osaaminen on kuitenkin se, jota voidaan hyödyntää myös jatkokehittelyssä, Ville kertoo.

– Kehitysprojekti kulki hyvin alkuun. Uskon puute tuli alkuun lähinnä siitä syystä, että kaikki kävi liian helposti. Myöhemmin tuli ongelmia ja huomasimme olevamme haastavan tuotekehityksen kanssa tekemisissä. Monta ongelmaa vuosien varrelle on ollut ja ne kaikki on ratkaistu, jotta tähän pisteeseen on päästy, muistuttaa Ville.

– Tämä tehtiin kuitenkin itse, kun meillä oli jo tietokoneohjattu pakkavaihde itsellä valmiina. Merkittävin ostokomponentti on hydrauliikkapaketti. Toimittaja on vain muuttanut sitä hieman meidän tarkoituksiimme sopivaksi, Ville kuvailee.

Tuotanto kuntoon

Nyt on menossa tuotteen vienti tuotantoon, mikä edellyttää edelleen tuotekehitykseltä panostusta. Tuotantolinjaa voimansiirtotehtaalla on hieman muutettu. Kun voimansiirrossa kaikki muu kuin itse vaihteisto on samaa, on Versun ja Directin tuotantolinja rakennettu niin pitkälle nivellettynä vanhan linjan kylkeen kuin mahdollista. Kun vaihteisto kiinnitetään voimansiirtoon, eroaa Versun ja Directin valmistuslinja siinä omaksi linjakseen, kunnes voimansiirto on valmis.

Ville muistuttaa, että kun Valtra kuitenkin tunnetaan omista voimansiirroistaan, tämä oli yksi osoitus siitä, että omien voimansiirtojen kehittelyllä ja rakentamisella on jatkuvuutta. Jos omaa vaihteistoa ei olisi kehitetty, olisi se saattanut olla yksi vaihe voimansiirtotuotannon hiipumisessa.

– Tuotantoketju katkeaa helposti, kuten monelle valmistajalle on käynyt. Valtralla on taas perinteet rakentaa traktori ja voimansiirto itse.

Moni on traktorin käyttäjä

– Kehittelemme traktoreita pääosin omalla porukalla, joten tämä antaa jatkuvuutta. Suunnittelijoistakin noin puolet käyttää traktoria itse maatilan töissä. Tästä on meille etua, kun suunnittelijat ja muutkin tehtaan työntekijät tietävät, millainen traktorin pitää olla, Ville muistuttaa.

Käyttäjän tarpeisiin

– Voimansiirto on tämän tehtaan yksi ydinkomponentti ja voimansiirto on suunniteltu tietylle käyttäjäryhmälle; monipuoliseen käyttöön. Uuden vaihteiston kehittelyssä on ajateltu nimenomaan traktorin moninaiskäyttöä, kun Valtran tehtaalla ei haluta sulkea traktoria hankkivaa töistä pois jättämällä traktorista pois tärkeitä ominaisuuksia.
Esimerkiksi preerialla, tasaisessa maastossa liikkuvassa traktorissa riittää tietynlainen mahdollisimman suora, mekaaninen vaihteisto.

– Valtran hankkiva urakoitsija taas tarvitsee erilaista vaihteistoa, koska hän liikkuu vaihtelevassa maastossa ja vaihtelevalla nopeudella, Ville kuvailee. Etenkin urakoinnissa traktorin pitää olla monipuolinen, jotta voidaan tehdä montaa työtä ja monenlaisella nopeudella ja samaan aikaan käyttää hydrauliikkaa.

– Se, että onnistuimme tekemään kaksi erilaista vaihteistoa traktoriin kerralla ja niin, että ne voidaan tehdä vielä pitkälti samoista osista, on poikkeuksellista, Ville kertoo. Kun samoja jo kerran koeteltuja rakenteita voidaan käyttää useammassa traktorissa, tarkoittaa se luotettavuutta asiakkaalle. Tuotekehityksen aiheuttama kustannus on myös pienempi ja eivätkä ylimääräiset kulut näy traktorin hinnassa.

Taakseajoon

Uudet vaihteistot sopivat eteenpäin ajoon, mutta etenkin taakseajoon TwinTracilla, jolla edut tulevat esiin. Kun vaihteiston hallinta, suunnanvaihtoa lukuun ottamatta, on kyynärnojassa, ei ryhmää enää tarvitse kurottaa ja hakea takaa. Tällöin työn ergonomia paranee huomattavasti ja voidaan keskittyä itse työntekoon.
Etenkin töissä, joissa nopeus vaihtelee; kunnallistekniset työt, lumen auraus taajamissa jne. uuden vaihteiston tarjoavat etuja. Nopeus voidaan sovittaa nopeasti muuttuviin tilanteisiin ja portaattomalla vaihteistolla. Kun jalka otetaan kaasulta, traktori pysähtyy.

Portaattoman edut

– Valtran portaaton, Direct, eroaa muista markkinoilla olevista portaattomista siinä, että kuljettajalla on itse asiassa valittavanaan neljä portaatonta nopeusaluetta. Perinteisesti portaattomissa vaihteistoissa ei ole ollut nopeusalueita ”työtehtäväryhmittäin”. Valtran portaattoman vaihteiston alueet ovat suunniteltu niin, että kuljettaja voi valita työn mukaan, mitä ominaisuuksia hän haluaa käyttää. Tällöin portaattomalla vääntöä ja traktorin polttoainetaloutta voidaan optimoida.

Kun esimerkiksi kytketään vetävän kärryn kanssa suolla tai syvässä lumessa A alue päälle, jolla nopeus nousee enimmillään noin 10 kilometriin tunnissa, saadaan koko moottorin teho käyttöön jo pienilläkin nopeuksilla. B alue taas on suunniteltu lähinnä peltokäyttöön. Kun nopeusalue kytketään päälle, on käytössä portaaton alue nollan ja 18 km/h välillä. Polttoainetalous on äestyksen tai kynnön kannalta optimaalinen. Kun alue lukitaan B:lle, nopeus ei nouse suuremmaksi, eikä tiukan paikan tullen voima taas lopu.

C ja D alueet ovat suunniteltu lähinnä kunnallistekniseen urakointiin ja tieajoon ja ne voidaan lukita tai alueen vaihtaminen C ja D välillä voidaan antaa automatiikan tehtäväksi. C ja D alueen vaihtoa voidaan ohjata manuaalisesti kyynärnojan painonapeista tai vaihtaminen C ja D alueen välillä voidaan antaa automatiikan tehtäväksi. Muiden alue­vaihtojen vaihto tehdään kyynärnojassa olevien painonappien avulla.

– Kun vaihtaminen tapahtuu maantienopeudessa ja useimmiten jopa niin, ettei kuljettaja välttämättä edes huomaa, milloin alue vaihtuu, kun pienempää vaihdetta tarvitaan vaikka ison kärryn kanssa siirryttäessä nopeasta asfalttiajosta hitaampaa soratieajoon, Ville kuvailee.

Monimutkainen CVT

Pitää muistaa, että portaattomien vaihteistojen suunnittelu ei ole vain mekaniikkaa ja hydrauliikkaa. Kyseessä on monimutkainen kokonaisuus, joka tarvitsee lisäksi antureita, sähköä ja ohjelmiston, jotta oikeat asiat saadaan toimimaan oikeaan aikaan, Ville kuvailee.
– Kun töitä tehdään sähköohjatulla hydrauliikalla, vaatimukset ovat kovat. Tarvitaan ohjelma, joka osaa ohjata vaihteistoa juuri oikein. Ohjelmien valmistumisen jälkeen edellytetään pitkäjänteistä suunnittelua ja testausta. Ohjelmistosuunnittelija Risto Toivakka on töissä Valtran sähköautomaatio-osastolla ja hän on ollut osaltaan tekemässä ohjelmaa, jolla hallitaan vaihteistoa.

Systemaattista suunnittelua

Nykyaikainen ohjelmistosuunnittelu edellyttää systemaattista työtä. Ohjelmistoja kirjoitettiin ennen rivi kerrallaan, nyt ohjelmistoja generoidaan osittain automaattisesti. Tällöin erityiselle suunniteluohjelmalle vain pitää kertoa seikkaperäisesti kertoa, mitä ohjelmiston halutaan tekevän.

Vaihteiston ohjelmisto tarvitsee tuekseen erilaisia antureita, ilman niitä kone ei osaa toimia. Antureiden avulla tunnistetaan, missä tilassa vaihteisto on. Ohjelma tarvitsee sen tiedon, jotta se voi toimia oikein.

– Kun ohjelmisto tai sen osa sitten on valmis, sillä ajetaan haluttu tehtävä ja tämän jälkeen jos kaikki ei sujunut niin kuin piti, säädetään taas. Tässä projektissa on monta kertaa kokoonnuttu miettimään, miten anturointeja, hydrauliikkaa, mekaniikkaa ja ohjausta pitää muuttaa, jotta kokonaisuus saadaan toimimaan halutulla tavalla, Risto muistelee.

Ongelmien generointia

Kun haluttuun lopputulokseen on päästy, pitää ohjelma vielä testata. Vaihteiston ohjaus ei saa mennä sekaisin, vaikka vastaanotettaisiin virheellistäkin signaalia. Virheellistä signaalia saattaa lähettää vaikka rikkoontunut anturi. Tästä syystä ohjelmaa testataan HIL

-simulaattorissa, joka on rakennettu traktorin ohjainlaitteiden ympärille.
Simulaattorin ohjainlaitteet ovat kuten traktorissa, mutta kaikki laitteet toimivat vain olevinaan, virtuaalisesti. Nopeus, valittu vaihteiston alue, öljynlämpötila jne. näkyvät mittareissa. Kun laitteita testataan simulaattorissa, voidaan järjestelmään syöttää esimerkiksi virhetilanteita systemaattisesti. Tällöin nähdään, missä vaiheessa virhetilanne vaikuttaa vaihteiston toimintaan ja antaa virheilmoituksia.

– Aiemmin testikuljettaja yritti hakea vikaa ja kesti paljon aikaa ennen kuin mahdollinen vika saatiin esiin. Nyt vika saadaan näkyviin nopeammin ja voidaan katsoa, mihin satunnainen vikakoodi tai virheellinen signaali vaikuttaa vai vaikuttaako se mihinkään, Risto selittää.

Kone voidaan jättää ajamaan vikatilanteita, jotka heitetään satunnaisesti väliin ja joita voidaan toistaa tehden samoja ”töitä jauhaen” vaikka nopeutettuna vastaamaan 2000 tunnin ajoa. Tietty raja-arvoa ei tarvitsisi enää hakea kentällä, vaan se löytyy simuloinnissa, kun kaikki vikavaihtoehdot voidaan syöttää koneeseen halutussa järjestyksessä.

– Tämä työ jatkuu muuten edelleen ja nyt testataan myös sarjatuotantoa varten, joista pitää katsoa että kaikki toimii myös teollisessa tuotannossa, Risto muistuttaa.

Testattuja vaihteistoja

Uusille vaihteistoille on tuotantolinjan päähän rakennettu omat testaus- ja kalibrointijärjestelmät, koska jokainen vaihteisto ja voimansiirto käy noin 20 minuutin testin läpi. Nyt testattava voimansiirto työnnetään automaattisesti vihivaunulla testauskaappiin. Testauskaapissa letkut ja johdot kytkeytyvät automaattisesti ja testaus ja kalibrointi käynnistyvät.

– Valtrojen vanhemmistakin vaihteistoista on testausdata tallella. Uudet testaustulokset säilytetään myös, jotta niistä voidaan jälkeenpäin katsoa, millaisilla teknisillä arvoilla vaihteistoja on valmistettu, Ville kertoo.

Kuumaa ja kylmää

Kun uudet vaihteistot on suunniteltu, erityistä huolta on kiinnitetty lämpötalouteen. Tämä tarkoittaa sekä lämpimien että kylmien olosuhteiden hallintaa. Lämmönhallinta on otettu haltuun, kun vaihteistossa on myös osa hydrauliikkaa.
Vaihteisto- ja hydrauliikkaöljyt eivät kuitenkaan mene sekaisin, mikä on erittäin hyvä asia traktorin käyttäjälle. Öljy ei lämpiä kahdessa paikkaa eikä vaihteistoöljy käy vähiin vaikka hydrauliikkaöljyä käytetään sylintereissä. Vaihteistoon ei myöskään kulkeudu hydrauliikkaöljyssä mahdollisesti olevia epäpuhtauksia.

– Vesi on oikeastaan ongelmallisin poistaa öljystä ja sitä ei vaihteistossa saisi olla oikeastaan ollenkaan, Ville muistuttaa. Vaihteistossa on maksimissaan 400 barin paine, ja se aiheuttaa erityisvaatimuksia öljyille.

Samassa kotelossa

Samassa vaihteistokotelossa on työhydrauliikan pumppu ja öljyt ovat valuseinän takana. Kierrosta palannut hydrauliikkaöljy palaa vaihteistokotelon yläreunaan ja valuu seinämää pitkin alas. Hydrauliikkaöljy jäähdyttää osaltaan vaihteistoa kuumissa olosuhteissa. Vaihteistoöljyä ei imetä hydrauliikka pumpulle, vaan öljy ohjautuu sinne painovoiman ansiosta. Tämäkin ratkaisu vähentää osaltaan traktorin polttoaineenkulutusta. Hydrauliikkaöljy myös osaltaan eristää vaihteiston värinää ja ääniä. Jäähdytyspiiri pitää hydrauliikka ja samalla vaihteistoöljyn tasalämpöisinä. Toisaalta öljyt eivät myöskään kylmene ulkopuolisessa säiliössä.

– Hydrauliikan paluulinjan suodattimet ovat nyt samassa nipussa traktorin kyljessä, eikä niitä avatessa öljyt valu käsille, Ville esittelee.

Talvella käyntiin

Yksi haaste oli talvikäynnistysominaisuudet. Vaikka vaihteiston hydrauliikkapumppu pyörii nollakulmalla, se vastustaa kuitenkin hieman käynnistystä. Talvikäynnistysominaisuudet on kuitenkin hiottu nimenomaan pohjoisiin olosuhteisiin.

Ulkoinen ero

Ulkoisesti 5-portaisen Versun ja portaattoman Directin erottaa helpoiten vaihdelaatikon sivukannesta. Jos sivukansi on sisäänpäin painunut kuppi, on kyseessä Versu. Jos kyseessä on portaaton Direct, sivukansi on ulospäin uloke, jonka sisällä on portaattoman hydrostaattiyksikkö.

Versu ja Directin ero

Vaihteiston pääakselilla on molemmissa samat pakat, planeettapyörästö ja suunnanvaihtaja osuus ovat samoja, ero tulee sivuakselilla. 5 -portaisessa Versussa vaihteiden välityssuhteet tehdään pakoilla, joilla voima pyöritetään läpi tai annetaan mennä planeettapyörästön runkoon. Vaihteisto on siis planeettavaihteisto, jossa vaihteet tehdään lukitsemalla pakkoja.

Directissä on samoja komponentteja kuin Versussa, mutta tekniikka on hienostuneempaa. Direktissä eli portaattomassa CVT versiossa Versun 5 -portaisen vaihteiston ”vaihteiden nopeuserovälit” täytetään pumppuyksiköllä, jossa on säätötilavuuspumppu ja kiinteätilavuusmoottori.

Moottorilla pyöritetään vaihteiston planeetan kannatinta. Kun kannatinta pyöritetään tai jarrutetaan, saadaan aikaan portaattomuus eli täytetään ”portaallisen vaihteiston vaihteiden välit”. Kun kannatinta pyöritetään takaperin riittävän nopeasti, traktori pysähtyy, koska tällöin pyörimisvoimaa ei siirry vaihteistosta ulos.

Portaattoman edut

Mihin portaaton vaihteisto ei oikeastaan sovi erityisen hyvin?
– Jatkuvaan raskaaseen vetoon kuten pelkkään ”kuukausia” jatkuvaan kyntöön, kun traktorilla ei tehdä oikein mitään muuta. Jatkuvaan vetoonkin portaaton sopii, mutta portaaton ei tuolloin tarjoa erityisiä etuja, koska silloin käytetään kokoajan yhtä ja samaa portaattoman toimintapistettä. Tuollaiseen työhön sopii riittää mekaaninen vaihteisto varsin hyvin, Ville muotoilee.

Missä portaaton sitten on hyvä?

– Oikeastaan kaikkialla muualla missä traktoria käytetään. Kun halutaan vakiohydrauliikkatuotto, mutta samaan aikaan nopeudet vaihtelevat. Ergonomia on portaattomassa hyvä riippumatta siitä ajetaanko eteen vai taaksepäin pellolla, metsässä tai kunnallistekniikkatöissä. Ja tällä saadaan kuitenkin pidettyä polttoainetalous optimaalisena.
Siirtoajossakin voidaan päästä hyvään polttoainetalouteen, kun vaihteisto hakee automaattisesti optimaalisen vaihteen. Tällöin moottorin kierrokset laskevat ja polttoaineen kulutus pysyy alhaisena.

– Portaattoman etu on se, että jos ei traktori liiku suurella nopeudella, saadaan kuitenkin portaattomalla vaihteistolla tasaisesti momenttia välitettyä renkaista maan pintaan. Kun nopeus laskee alemmaksi ja portaaton vaihteisto hyödyntää koko dieselin voiman, joka voidaan siirtää tiehen.

– Suurin ero portaattomalla syntyy lähestyttäessä ryömintänopeuksia. Nopeuden hallinta on erotettu dieselin kierrosluvusta. Vaikka moottori olisi maksimikierrosluvulla, voidaan ajonopeus säätää polkimella portaattomasti kohti nollaa, vedon ollessa kokoajan kytkettynä. Tämä puoltaa portaattoman valintaa, Ville kiteyttää.

Seppo Pentti