Nowa Tatra Force trzeciej generacji z perspektywy innowacji technicznych

 

 

Force trzeciej generacji zostały zaprojektowane tak, aby zapewnić klientom dużą różnorodność, przy czym Tatra sama produkuje główne jednostki i większość podzespołów tych samochodów. Stanowi to bardzo dobrą przesłankę do możliwości wypróbowania różnych nowinek technologicznych, opracowywania i testowania alternatywnych układów napędowych, czy wdrażania systemów elektronicznych zwiększających osiągi lub poprawiających bezpieczeństwo oraz dających mozliwość eksploatacji pojazdów zgodnie z oczekiwaniami klientów i najnowszymi przepisami prawnymi. Wszystko to odbywa się wewnątrz firmy, bez konieczności korzystania z pomocy podmiotów zewnętrznych. Nowa generacja serii Force otrzymała również kilka innowacji, które mogą nie być widoczne na pierwszy rzut oka, ale są niezbędne dla producenta i klientów użytkujących auta. Należą do nich jedna z najbezpieczniejszych kabin na rynku, lepsza widoczność, zupełnie nowa tablica rozdzielcza o nowoczesnych i ergonomicznych kształtach czy udoskonalony system ogrzewania i klimatyzacji.

Samochody marki Tatra były i są znane ze swoich chłodzonych powietrzem silników widlastych. W przypadku nowej generacji Force, oprócz możliwości wyboru agregatów od zagranicznych producentów, takich jak Cummins czy, od niedawna, Caterpillar, Tatra oferuje własne, zmodernizowane jednostki napędowe, charakteryzujące się wysokim stopniem unifikacji. Są to silniki ośmiocylindrowe (V8) i dwunastocylindrowe (V12), które do dzisiaj noszą historyczne nazwy, odpowiednio, T3-928 i T3-928. T3-930, do których dodano skrót „RE”. Oba podstawowe typy występują w kilku wariantach wydajnościowych. Po prawie trzech dekadach Tatra powróciła do prac nad rozwojem silników dwunastocylindrowych ze względu na rosnące zapotrzebowanie na mocniejsze jednostki, przede wszystkim do pojazdów specjalnych wykorzystywanych w wojsku i siłach bezpieczeństwa, ale także przez służby ratownicze i w ciężkim przemyśle.

Koncepcyjnie oba silniki są chłodzone powietrzem, mają oddzielną skrzynię korbową, oddzielne cylindry, oddzielne głowice i wzmocnienia. Pod względem parametrów silnik V8 „RE” dostępny jest w trzech wersjach (Euro III, Euro V i bez normy emisji dla celów specjalnych) o mocy od 300 kW do 368 kW. W przypadku silnika V12 „RE” dostępne są również trzy wersje o zakresie mocy od 440 kW do 515 kW. Silniki są nowocześnie sterowane elektronicznie, ale nadal mogą korzystać z paliw alternatywnych, takich jak olej napędowy o wysokiej zawartości siarki lub nafta lotnicza F-34, spełniając jednocześnie określone standardy kompatybilności i ochrony elektronicznej (EMC, EMI i EMP) w przypadku zastosowań wojskowych. Podobnie jak w przypadku poprzednich silników Tatra, silniki te zachowują odpowiednią temperaturę pracy i zdolność rozruchu w ekstremalnych warunkach, nawet w temperaturach sięgających -32°C. Poza tym obie te linie silników otrzymują chłodnicę powietrza doładowującego. Różnica między silnikiem ośmiocylindrowym a dwunastocylindrowym polega głównie na położeniu i rozmiarze chłodnicy oleju. W przypadku silnika V8 „RE” chłodnica oleju umieszczona jest bezpośrednio na silniku, natomiast w przypadku silnika V12 „RE” większa chłodnica oleju znajduje się za kabiną. Przedni wentylator, typowy dla silników Tatry, jest większy niż w przeszłości, natomiast wymiary i konstrukcja są takie same dla silników ośmio- i dwunastocylindrowych.

W poprzednich latach w silnikach Tatry stosowano turbosprężarki zagraniczne. Jednak w przypadku zmodernizowanych silników serii „RE” konstruktorzy Tatry powrócili do krajowego rozwiązania i nowe jednostki wyposażono w turbosprężarki marki ČZ. Silniki mają też w mechaniczną pompę wtryskową, także czeskiej firmy Motorpal, ale całkowicie nową, wyposażoną w elektronicznie sterowany regulator, połączony z elektroniczną jednostką sterującą silnikiem. Pierwsze konsultacje dotyczące opracowania elektronicznie sterowanej pompy wtryskowej pomiędzy Tatra Trucks i Motorpal sięgają 2016 roku, a prace rozwojowe i wdrażanie pomp w silnikach Tatra rozpoczęły się rok później. Prace rozwojowe zakończono homologacją w 2023 roku. Można więc powiedzieć, że obecne silniki Tatry w ponad dziewięćdziesięciu procentach pochodzą z Czech, ponieważ zdecydowana większość podzespołów samych silników jest produkowana w Tatra Trucks lub w spółce zależnej Tatra Metalurgie w Kopřivnicy, a dotyczy to także takich podzespołów, jak wspomniane wcześniej turbosprężarki czy pompy wtryskowe od ČZ i Motorpal.

Nowe rozwiązanie elektronicznego sterowania pompą paliwa eliminuje niektóre wady poprzedniego rozwiązania polegającego na klasycznym (mechanicznym) połączeniu za pomocą linki Bowdena z pedałem gazu w kabinie i oferuje szereg nowych możliwości. Dotyczą one przede wszystkim wdrażania nowoczesnych systemów elektronicznych, których wymagają nowe przepisy dotyczące eksploatacji pojazdów w UE (GSR – Rozporządzenie Ogólne o Bezpieczeństwie), ale ponadto systemów zwiększających bezpieczeństwo i efektywność eksploatacji czy technologii związanych z systemami automatycznego sterowania lub zdalnego sterowania. Dzięki elektronicznemu sterowaniu silnikiem i elektronicznemu sterowaniu pompą paliwa, ciężarówki Force trzeciej generacji mogą mieć na przykład adaptacyjny tempomat lub system awaryjnego hamowania, ale możliwe jest też np. elektroniczne ograniczenie obrotów silnika w zależności od włączonego biegu w skrzyni biegów, w ten sposób chroniąc go  przed uszkodzeniem, lub odwrotnie, zwiększenie obrotów silnika, gdy pracuje napęd pomocniczy itp.

Poza tym elektroniczne jednostki sterujące obu zmodernizowanych silników naturalnie współpracują z innymi jednostkami sterującymi znajdującymi się w samochodzie, co umożliwia m.in. wdrożenie w serii Force nowoczesnych automatycznych i zautomatyzowanych skrzyń biegów, co w przeszłości nie było możliwe w przypadku niektórych typów skrzyń biegów. Na koniec warto wspomnieć, że dzięki elektronicznemu sterowaniu silnikami Tatra serii „RE” ich parametry i pracę można monitorować za pomocą komputera pokładowego i cyfrowej tablicy rozdzielczej.

Tatra Trucks liczy w przyszłości na rozwój własnych silników, gdyż mają one potencjał rozwojowy i zalety eksploatacyjne w porównaniu z silnikami chłodzonymi cieczą. Z tym związane są plany budowy nowego obiektu do testowania silników na terenie Tatra Trucks. Inwestycje w ten projekt przekraczające 100 milionów koron zostały już zatwierdzone, podobnie jak przestrzeń przeznaczona pod nowy ośrodek testowy. Dział badawczo-rozwojowy Tatry będzie miał do dyspozycji kilka stanowisk testowych silników, nowoczesne urządzenia diagnostyczne i testowe oraz komorę testową umożliwiającą przeprowadzanie prób w bardzo niskich temperaturach – co ważne w komorze tej może przebywać cała ciężarówka. Jednocześnie oddział biura projektowego Tatry w Brnie, otwarty jesienią 2023 roku, też zajmie się rozwojem nowych silników. Za pośrednictwem tej filii dział badań i rozwoju Tatry będzie jeszcze współpracował z Politechniką Brneńską przy opracowywaniu nowych silników i ich komponentów. W tym celu wykorzystane zostaną możliwości laboratorium uniwersyteckiego, w tym hamulca silnikowego. Współpracując ze specjalistami z Politechniki w Brnie i firmy Motorpal, konstruktorzy Tatry przygotowują również rozwój chłodzonych powietrzem silników spalinowych, które będą spełniać przyszłą normę Euro VII. W tym kontekście producent samochodów będzie starał się o uzyskanie wsparcia subsydiowanego, a wyniki jego prac mogą być dostępne jeszcze przed końcem tej dekady.

Przy tym udana współpraca z Czeską Politechniką w Pradze trwa już trzeci rok. W jej ramach są prowadzone prace badawcze nad eksperymentalnym jednocylindrowym silnikiem chłodzonym powietrzem, spalającym gazowy wodór. Dotychczasowe wyniki są bardzo obiecujące i jeszcze w tym roku powinna zapaść decyzja o budowie pierwszego prototypu kompletnego ośmiocylindrowego silnika, który wydaje się być obiecującą alternatywą dla napędów niskoemisyjnych.

Na koniec, ale nie mniej ważne, firma z Kopřivnicy pracuje również nad projektami pojazdów z alternatywnymi układami napędowymi dla serii Force e-Drive, z napędem elektrycznym wykorzystującym wodorowe ogniwa paliwowe  (e-Drive FCEV), z napędem hybrydowym (e-Drive PHEV), z napędem elektrycznym i baterią trakcyjną (e-Drive BEV) oraz z napędem elektrycznym połączonym z silnikiem spalinowym jako wzmacniaczem zasięgu (e-Drive REX).

W trzeciej generacji serii Force projektanci przygotowali nowy system zmiany biegów do manualnych skrzyń biegów Tatra, zwany F-shift. To istotna modernizacja w porównaniu z poprzednimi systemami opracowanymi i produkowanymi w Tatra Trucks. System F-shift ma nową dźwignię zmiany biegów z połączeniem typu „hook”, ale połączenie między dźwignią zmiany biegów a skrzynią biegów jest elektroniczne, a nie mechaniczne. Wybór biegów odbywa się zatem tak samo, jak w przypadku klasycznej skrzyni manualnej. Po wciśnięciu sprzęgła i przesunięciu dźwigni zmiany biegów w układzie przeniesienia napędu do pozycji odpowiadającej danemu biegowi, jednostka sterująca elektronicznie otrzymuje informację o tym, jaki bieg jest potrzebny i odpowiednio wysyła instrukcję do skrzyni biegów, która włącza wymagany bieg. W rezultacie w przeciwieństwie do poprzedniego systemu zmiany biegów, nie trzeba przytrzymywać pedału sprzęgła, aż skrzynia biegów fizycznie włączy bieg, ale można zwolnić pedał sprzęgła natychmiast po ustawieniu dźwigni zmiany biegów w odpowiednim położeniu, a elektronika zajmie się dokończeniem procesu zmiany biegów. Dzięki temu cały proces zmiany biegów staje się dla kierowcy bardziej komfortowy i szybszy. Jednocześnie system F-shift zachowuje możliwość wstępnego wyboru biegu, podobnie jak w poprzednim systemie zmiany biegów. Kierowca może zatem wstępnie wybrać bieg, przesuwając dźwignię zmiany biegów do odpowiedniej pozycji w układzie przeniesienia napędu, ale proces załączania rozpoczyna się dopiero po naciśnięciu pedału sprzęgła. Funkcja wstępnego wyboru całych biegów jest zupełnie unikalna i bardzo korzystna, szczególnie podczas jazdy w terenie. Oczywiście elektronika zapewnia, że włączono bieg, który mógł uszkodzić układ napędowy (mówiąc wprost, doprowadził do „przekroczenia obrotów silnika”) – w takiej sytuacji wybrany bieg nie zostanie włączony.

Ponieważ trzecia generacja Force jest oferowana z ośmiocylindrowymi i dwunastocylindrowymi silnikami Tatra, zwiększono również moment obrotowy przekazywany na skrzynię biegów. Została ona zatem odpowiednio zwymiarowana i zmodyfikowana, aby obsługiwać wartości momentu obrotowego w zakresie od 2300 do 2600 Nm w porównaniu do poprzednich 2100 Nm, co pozwala na jego podłączenie nawet do najmocniejszych wersji silnika Tatra V12 „RE”. Obecnie skrzynie przekładniowe dziesięcio- i czternastobiegowe są dostępne w różnych wariantach; w najbliższej przyszłości Tatra planuje ujednolicenie skrzyń biegów, co przełoży się na zwiększenie efektywności i uproszczenie zarówno produkcji, jak i oferty dla klientów. Tatra będzie więc dostarczać jednostki napędowe w połączeniu ze skrzynią biegów wyłącznie w kilku wariantach dostosowanych do rodzaju podwozia, np. w zależności od liczby możliwych do podłączenia osi przednich lub w zależności od wersji z reduktorami lub bez itp., co pozwoli spełnić wymagania użytkowników.

Oprócz elektronicznej skrzyni biegów F-shift użytkownicy będą mogli wybierać spośród automatycznych i zautomatyzowanych skrzyń biegów firm Allison i ZF. Projektanci Tatry w dziale badań i rozwoju pracują także nad własnym rozwiązaniem automatycznej skrzyni biegów CVT. Projekt ten wpisuje się w starania czeskiego producenta samochodów o uniezależnienie się od zewnętrznych dostawców kluczowych elementów konstrukcyjnych pojazdów. Jednocześnie stanowi to odpowiedź na wymagania klientów i rynków w różnych częściach świata i segmentach zastosowań. Przekładnia hydrostatyczna Tatra ma mieć cechy i charakterystyki pozwalające na łączenie jej z silnikami o mocy do 800 kW i momencie obrotowym do 3800 Nm.

Klasyczne rozwiązanie podwozia z centralną rurą nośną i wahliwymi, niezależnie zawieszonymi półosiami oczywiście pozostało w nowej generacji serii Force. Natomiast osie z przekładniami redukcyjnymi w kołach są zupełnie nowe i wykorzystują rozwiązanie o nazwie „true planet”. W poprzednich generacjach samochodów stosowano rozwiązanie z tzw. fałszywą planetą. Nowe osie, których opracowanie zajęło około 7 lat i które stanowią jeden z najważniejszych innowacyjnych elementów konstrukcji nowoczesnych pojazdów Tatra, są dostępne zarówno w serii Force, jak i Phoenix. W trakcie prac rozwojowych nad nowymi osiami prototypowe pojazdy przejechały setki tysięcy kilometrów na poligonie testowym Tatra oraz w warunkach rzeczywistych u klientów oraz przeszły wymagający program prób na stanowiskach badawczych.

Charakterystyczną cechą konstrukcji podwozia Tatry jest to, że półosie są wysunięte względem siebie o 51 mm, podczas gdy w rozwiązaniu tzw. „wrzecionowym” przy złej planetarce lewe półosie były wysunięte przed prawe w wersji bez redukcji, a prawe półosie były wysunięte przed lewe w wersji z redukcjami. W praktyce oznaczało to konieczność dostosowania ram oraz podzespołów klimatyzacji, prowadzenia wiązek kablowych i innych elementów do różnych konstrukcji samochodów. Nowe rozwiązanie z tzw. prawą planetą oznacza wysoki stopień unifikacji podwozi i ich podzespołów, gdyż lewe półosie są zawsze wysunięte przed prawe, zarówno w przypadku wersji z redukcjami, jak i bez.

Kolejną dużą zmianą w rozwiązaniu z tzw. prawą planetą jest system obrotu elementów w części kołowej. W dotychczasowym rozwiązaniu osi z tzw. Koroną obraca się wokół fałszywej planety, podczas gdy nośnik jest nieruchomy, a statycznie ustawione satelity obracają się tylko wokół swego punktu obrotu. W przypadku nowych osi z tzw. prawą planetą jest statyczna korona, a nośnik obraca się, co niesie za sobą tę zaletę, że wszystkie satelity regularnie przechodzą przez kąpiel olejową dzięki ruchowi obrotowemu nośnika. Oznacza to również, że są one lepiej smarowane w czasie jazdy, co z kolei oznacza, że ​​półosie nie nagrzewają się i są mniej obciążone. Całkowity przełożenie nowych przekładni zostało zmniejszone do 5,98 w porównaniu do 6,33, natomiast przełożenie w części koła zostało zwiększone z 2,333 do 2,833, co przekłada się na mniejszy moment obrotowy na wałach układu napędowego oraz min. na większą ochronę i mniejsze obciążenie wału Cardana.

Nowe rozwiązanie, dzięki tym elementom, pozwala na zwiększenie maksymalnego obciążenia osi skrętnych, które obecnie może sięgać nawet 12 t dla podwozi Tatra (do 16 t dla nieskrętnych), przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej niezawodności działania, nawet w trudnym terenie. Tatra oferuje nowy typ osi w dwóch rozmiarach, dla pojazdów o szerokości całkowitej 2,55 m i 3 m. Kolejną dużą zmianą związaną z nowymi osiami z tzw. prawdziwą zaletą jest możliwość montażu hamulców bębnowych i tarczowych w pojazdach z redukcjami i bez według życzenia klienta. Wcześniej Tatra oferowała hamulce tarczowe wyłącznie w pojazdach bez przekładni redukcyjnej. Wiąże się to również z wysokim stopniem unifikacji osi z redukcją i bez, nad którym obecnie pracują konstruktorzy Tatry, tak aby znaczną część podzespołów można było zastosować w obu wersjach bez zmian.

 

 

 

            Tekst: Jarosław Brach

            Zdjęcia: Producent