1

ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

ΟΧΗΜΑΤΑ ΔΟΜΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ

ΑΝ. ΚΑΘ. Γ. ΠΑΡΑΔΕΙΣΙΑΔΗΣ

ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013

2

1. Εισαγωγή

Παρά τη χρήση απλών, πρωτόγονων μηχανών για την κατασκευή δομικών έργων από την

αρχαιότητα, η εκτέλεσή τους μέχρι τις τελευταίες δεκαετίες του 19ου αιώνα βασιζόταν αποκλειστικά

στην μυϊκή δύναμη, αφού οι απλές αυτές μηχανές (κυρίως ανυψωτικές διατάξεις) μπορούσαν μόνον

να επαυξάνουν σε περιορισμένο βαθμό τη μυϊκή δύναμη ανθρώπων και ζώων. Η επινόηση των

κινητήριων μηχανών (ατμομηχανών και μηχανών εσωτερικής καύσης) τον 18ο και 19ο αιώνα

κατέστησε δυνατή την υποκατάσταση της ανθρώπινης εργασίας από τις μηχανές. Η υποκατάσταση

αυτή στον τομέα της κατασκευής των τεχνικών έργων άρχισε να πραγματοποιείται με την επινόηση

και εξέλιξη των δομικών μηχανών (μηχανημάτων έργων).

Από τα τέλη του 19ου αιώνα χρησιμοποιήθηκαν μηχανήματα με τη σύγχρονη περίπου μορφή

τους στην κατασκευή των μεγάλων τεχνικών έργων. Η προσπάθεια όμως για την εκμετάλλευση σε

μεγαλύτερη κλίμακα των δυνατοτήτων τους για καλύτερη και ευχερέστερη κατασκευή των τεχνικών

έργων, βασιζόμενη στην εξέλιξη της τεχνολογίας στον τομέα της κατασκευής μηχανημάτων, εντάθηκε

κυρίως από τις αρχές 20ου

αιώνα. Η χρησιμοποίηση μηχανημάτων δομικών έργων κατά την διάνοιξη

της διώρυγας του Παναμά (1911) επιτάχυνε σημαντικά την εξέλιξη του έργου. Ακολούθησε μία

αλματώδης εξέλιξη όσον αφορά την κατασκευή και την χρησιμοποίηση των μηχανημάτων τεχνικών

έργων. Έτσι σήμερα η χρήση αυτών των μηχανημάτων δεν περιορίζεται μόνο σε μεγάλα έργα

(φράγματα, δρόμους, γεφύρια, ορυχεία κλπ.), αλλά επεκτείνεται και στις κτιριολογικές κατασκευές

κάθε μεγέθους.

3

2. Κατάταξη και χρήση των οχημάτων δομικών έργων

2.1. Χρήση των οχημάτων δομικών έργων.

Τα οχήματα (μηχανήματα) δομικών αποτελούν τον κύριο μηχανικό εξοπλισμό για την κατασκευή

χωματουργικών εργασιών, δηλαδή:

- Συμπύκνωση για τη σταθεροποίηση χωμάτινων όγκων.

- Εκσκαφές και μετακινήσεις όγκων χώματος, προκειμένου να σχηματισθούν κοιλότητες ορισμένου ή

μη γεωμετρικού σχήματος (λάκκοι, τάφροι για θεμελιώσεις ή άλλα έργα, χαντάκια αγωγών,

διώρυγες κ.λ.π.), να γίνουν εκβαθύνσεις βυθών, διανοίξεις διόδων (δρόμων κλπ), επιχωματώσεις,

πρανή δρόμων και αναχώματα (χωμάτινα υψώματα κατά μήκος των οχθών ποταμών), να

αποξηρανθούν έλη, να αποκομισθούν από το έδαφος ή από τους βυθούς υλικά για διάφορες

χρήσεις, να εξορυχτούν μεταλλεύματα κλπ.

- Διαμορφώσεις και ισοπεδώσεις εδαφών.

- Θρυμματισμός και ανάμιξη του εδάφους με άλλα υλικά.

- Πολλά χωματουργικά μηχανήματα, όταν εφοδιασθούν με ειδικές εξαρτύσεις, χρησιμοποιούνται και

για εκδασώσεις, εκχερσώσεις, εκχιονισμούς, αναμόχλευση εδαφών κλπ.

Οι ειδικές εργασίες, τις οποίες εκτελούν τα διάφορα είδη χωματουργικών μηχανημάτων, είναι οι

εξής:

- Εκσκαφή και στη συνέχεια φόρτωση του εκσκαπτόμενου υλικού σε οχήματα ή τοποθέτηση αυτού σε

σωρούς (εκσκαφείς κάθε είδους, φορτωτήρες, αυλακωτήρες).

- Παραλαβή χώματος από μία θέση και αποθήκευσή του σε μεγάλη απόσταση (αποθέτες).

- Εκσκαφή και μεταφορά του υλικού σε μικρές αποστάσεις (προωθητήρες).

- Εκσκαφή, μεταφορά και διάστρωση του υλικού (αποξεστήρες).

- Διαμόρφωση χωμάτινων επιφανειών με επιφανειακή εκσκαφή και μεταφορά χώματος βάσει

καθορισμένου σχεδίου, ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή τελική μορφή (διαμορφωτήρες).

- Ισοπέδωση επιφανειών με απόσπαση και μεταφορά χώματος από τις προεξοχές στις εσοχές τους

(ισοπεδωτήρες και καμιά φορά προωθητήρες, διαμορφωτήρες, αποξεστήρες).

- Συμπύκνωση εδαφών με πίεση ή με πρόκληση δονήσεων (μηχανήματα συμπυκνώσεως με

κυλίνδρους ή με ελαστικούς τροχούς, δονητές).

- Εκρίζωση θάμνων ή δένδρων (ελκυστήρες με ειδικές εξαρτύσεις, ριζοκόπτες κλπ).

- Θρυμματισμός και ανάμιξη του εδάφους με άλλα υλικά (θρυμματιστές –αναμικτήρες).

4

-Απομάκρυνση χιονιών είτε με τον εκτοπισμό τους στα πλάγια (εξαρτύσεις εκχιονισμού σε

διαμορφωτήρες), είτε με εκτόξευσή τους σε απόσταση ή σε φορτηγά οχήματα (εκχιονιστικές

φρέζες).

Τα χωματουργικά μηχανήματα μετακινούνται από τη μία θέση στην άλλη αυτοπροωθούμενα,

ελκόμενα ή φορτωμένα επάνω σε ελκυστήρες, φορτηγά αυτοκίνητα ή ρυμουλκούμενους μεταφορείς.

Τα χωματουργικά μηχανήματα είναι ή συνεχούς λειτουργίας, δηλαδή από το ένα μέρος να σκάβουν

και από το άλλο να εκκενώνουν συνεχώς το υλικό (εκσκαφείς και αυλακωτήρες με αλυσίδα κάδων ή

με καδοφόρο τροχό, φορτωτές με μεταφορέα κλπ.), ή περιοδικής λειτουργίας, εκτελούν δηλαδή ένα

κύκλο εργασίας, ο οποίος να επαναλαμβάνεται περιοδικώς (εκσκαφείς ή φορτωτές με ένα κάδο,

αποξεστήρες κλπ).

Η θέση εκσκαφής μπορεί να βρίσκεται :

-Υψηλότερα από την επιφάνεια εδράσεως του μηχανήματος (εκσκαφείς με εξάρτυση τσάπας,

εκσκαφείς με καδοφόρο τροχό).

- Χαμηλότερα από την επιφάνεια έδρασης του μηχανήματος (εκσκαφείς με εξάρτυση ανεστραμμένης

τσάπας, αρπάγη, συρόμενο κάδο, αυλακωτήρες).

-Στο ίδιο περίπου επίπεδο με την επιφάνεια έδρασης του μηχανήματος (διαμορφωτήρες,

ισοπεδωτήρες, αποξεστήρες).

Οι ελκυστήρες άλλοτε αποτελούν τμήμα χωματουργικών μηχανημάτων (προωθητήρων,

φορτωτών κλπ) και άλλοτε έλκουν χωματουργικά μηχανήματα (ελκόμενους αποξεστήρες,

ισοπεδωτήρες κλπ.), γι αυτό και εξετάζονται μαζί με τα χωματουργικά μηχανήματα.

2.2 Κατηγορίες και είδη οχημάτων δομικών έργων.

Τα οχήματα δομικών έργων διαιρούνται γενικά σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Στα οχήματα γενικής

και στα οχήματα ειδικής χρήσης.

Οχήματα γενικής χρήσης λέγονται εκείνα που μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε όλα ή στα

περισσότερα από τα τεχνικά έργα.

Τα οχήματα ειδικής χρήσης έχουν ειδική αποστολή και χρησιμοποιούνται σε ορισμένα μόνο

τεχνικά έργα.

Οπωσδήποτε δεν είναι δυνατή η αυστηρή κατάταξη των διαφόρων ειδών των οχημάτων δομικών

έργων σε μία από τις παραπάνω κατηγορίες, γιατί ανάλογα με τη περιοχή δραστηριότητας κάθε

τεχνικής επιχείρησης, το ίδιο μηχάνημα μπορεί να χαρακτηρισθεί γενικής ή ειδικής χρήσης. Π.χ. ένας

προωθητής γαιών είναι μηχάνημα γενικής χρήσεως για μια επιχείρηση που κατασκευάζει έργα

5

οδοποιίας, ενώ για μια οικοδομική επιχείρηση είναι ειδικό μηχάνημα. Γενικά μπορούμε να

χαρακτηρίσουμε ως μηχανήματα γενικής χρήσης τα μικρής και μέσης απόδοσης που κατασκευάζονται

«σε σειρά» από τις διάφορες βιομηχανίες και που βρίσκονται στην αγορά και δε χρειάζεται ειδική

παραγγελία για την απόκτησή τους. Τέτοια μηχανήματα είναι οι εκσκαφείς μέχρι 2m3 (περιεκτικότητα

κάδου), οι προωθητές γαιών, οι γερανοί ανυψωτικής ικανότητας μέχρι 15 ton, οι αναμικτήρες μπετόν

μέχρι 1500 lt.

Τα μηχανήματα ειδικής χρήσης είναι εκείνα που δεν κατασκευάζονται «σε σειρά» από τις

βιομηχανίες παραγωγής αλλά κατόπιν παραγγελίας με ειδικές προδιαγραφές του χρήστη, συνήθως για

κάποιο συγκεκριμένο έργο μεγάλης έκτασης ή για μία εξειδικευμένη λειτουργία που δεν καλύπτεται

ικανοποιητικά από κάποιο μηχάνημα γενικής χρήσης Συνήθως έχουν μεγάλη απόδοση και υψηλό

κόστος. Πχ. ένας εκσκαφέας καδοφόρου τροχού, απόδοσης 8500 m3/h, είναι μηχάνημα ειδικής

χρήσης.

Πέρα από το πλεονέκτημα της δυνατότητας χρησιμοποίησης σε περισσότερους τομείς τεχνικών

έργων, ένα μηχάνημα γενικής χρήσης έχει και άλλα πλεονεκτήματα: εύκολη εξεύρεση χειριστών και

τεχνιτών συντήρησης και επισκευών, καθώς και γρήγορη εξασφάλιση ανταλλακτικών.

Επομένως θα πρέπει να επιδιώκεται από τους κατασκευαστές των τεχνικών έργων η αγορά και η

χρησιμοποίηση στις εργασίες τους μηχανημάτων γενικής χρήσης.

Η αγορά και η χρησιμοποίηση μηχανημάτων ειδικής χρήσης δικαιολογείται στις παρακάτω

περιπτώσεις:

- Όταν πρόκειται για εργασία που δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί από μηχάνημα γενικής χρήσης.

- Όταν η χρησιμοποίηση του ειδικού μηχανήματος (αντί του μηχανήματος γενικής χρήσεως) μειώνει

σημαντικά το κόστος κατασκευής του έργου.

- Αν έκταση του τεχνικού έργου επιτρέπει την πλήρη απόσβεση του μηχανήματος (κατά την εκτέλεση

του έργου).

Με βάση το είδος της εργασίας που εκτελούν μπορούμε να κατατάξουμε τα διάφορα είδη

οχημάτων τεχνικών έργων ως εξής:

α) Οδοστρωτήρες (rollers)

β) Ελκυστήρες (tractors)

γ) Προωθητές γαιών (bulldozers)

δ) Αποξέστες (scrapers)

ε) Εκσκαφείς (excavators)

στ) Ισοπεδωτές γαιών (graders).

6

Σχ.2.1 Αυτοκινούμενος οδοστρωτήρας με δύο κυλίνδρους.

Σχ.2.2 Ελκυστήρας.

7

Σχ.2.3 Προωθητής γαιών.

Σχ.2.4 Αποξέστης

8

Σχ.2.5 Τροχοφόρος εκσκαφέας

Σχ.2.6 Ισοπεδωτής γαιών.

2.3 Κριτήρια επιλογής

Το σημαντικότερο κριτήριο για την επιλογή ενός οχήματος δομικών έργων είναι το συνολικό

κόστος καθ’ όλη τη διάρκεια χρήσης του από την επιχείρηση, μέχρι την τελική αχρήστευση ή

ενδεχόμενη μεταπώλησή του. Το κόστος αυτό απαρτίζεται κυρίως από:

- Το κόστος αγοράς

- Το κόστος συντήρησης και επισκευών

- Το κόστος καυσίμων και λιπαντικών

9

- Το κόστος του χειριστή

- Το έσοδο από ενδεχόμενη μεταπώλησή του.

Τόσο το κόστος αγοράς, όσο και το κόστος συντήρησης είναι – για την ίδια απόδοση – μικρότερα

για ένα μηχάνημα γενικής χρήσης από ότι για ένα ειδικής χρήσης.

Το κόστος συντήρησης και επισκευών εξαρτάται κυρίως από τις συνθήκες εργασίας του

μηχανήματος και την συνέπεια τήρησης των προδιαγραφών συντήρησης (πχ. τη σωστή λίπανση και

την έγκαιρη αντικατάσταση φθειρόμενων μερών).

Άλλοι παράγοντες, των οποίων η σημασία εξαρτάται από τις συνθήκες του έργου, αλλά και της

επιχείρησης είναι:

- Το κόστος ασφάλισης του οχήματος

- Ο χρόνος που το όχημα παραμένει ανενεργό λόγω εργασιών συντήρησης, επισκευών ή ρυθμίσεων.

- Η ευχέρεια και ταχύτητα προμήθειας ανταλλακτικών.

- Ο χρόνος που το όχημα μπορεί να καταστεί ξεπερασμένο, δηλ. παρά την καλή κατάστασή του να

είναι οικονομικότερη η αγορά νέου οχήματος, που λόγω της εξέλιξης της τεχνολογίας να παρουσιάζει

πολύ καλύτερη σχέση συνολικού κόστους – απόδοσης.

Με βάση την εκτίμηση όλων των στοιχείων κόστους μπορεί να εκτιμηθεί η παρούσα αξία του

συνολικού κόστους του οχήματος.

10

3. Οδοστρωτήρες

Οι οδοστρωτήρες είναι μηχανήματα που χρησιμοποιούνται για τη στατική συμπύκνωση του

εδάφους, πχ. κατά την κατασκευή ενός δρόμου, ενός διαδρόμου αεροδρομίου, ή ενός βιομηχανικού

δαπέδου υψηλής αντοχής.. Συμπύκνωση του εδάφους σημαίνει να γίνει αυτό συνεκτικότερο, δηλαδή

χωρίς πόρους, ώστε να αντέχει υψηλότερες επιφανειακές πιέσεις. Η συμπύκνωση του εδάφους

επιτυγχάνεται με μια ή συνδυασμό των εξής μεθόδων:

- Με «ζύμωμα» του υλικού,

- με στατική άσκηση βάρους,

- με άσκηση βάρους με δονήσεις,

- με κρουστική άσκηση βάρους.

Συνήθως εφαρμόζονται οι τρεις πρώτες μέθοδοι, μέσω της κύλισης επί του εδάφους βαριών

κυλίνδρων με τους οποίους είναι εξοπλισμένοι οι οδοστρωτήρες.

Οι οδοστρωτήρες μπορεί να είναι αυτοκινούμενοι ή ρυμουλκούμενοι. Η ταχύτητά τους κυμαίνεται

μεταξύ 2 και 11 km/h. Ανάλογα με το είδος του κυλίνδρου που χρησιμοποιούν, διακρίνονται τα

ακόλουθα είδη οδοστρωτήρων:

- Με λείους κυλίνδρους

Στο Σχ.2.1 φαίνεται ένας αυτοκινούμενος οδοστρωτήρας με δύο λείους κυλίνδρους μεγάλης

ισχύος, έναν πρόσθιο και έναν οπίσθιο, ενώ στο Σχ.3.1 ένας παρόμοιος μικρής ισχύος.

Σχ.3.1 Αυτοκινούμενος οδοστρωτήρας με δύο κυλίνδρους.

Οι αυτοκινούμενοι οδοστρωτήρες χρησιμοποιούνται σε ευρεία κλίμακα, ενώ οι ρυμουλκούμενοι

σπάνια. Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι ο αυτοκινούμενος με δύο κυλίνδρους σε δύο άξονες.

11

Συνήθως σε μεγάλους οδοστρωτήρες κινητήριος είναι ο οπίσθιος κύλινδρος, ενώ σε μικρούς ο

εμπρόσθιος. Οι κύλινδροι (τροχοί) είναι κλειστά τύμπανα που μπορούν να γεμίζονται με άμμο ή νερό

για να ρυθμίζεται το βάρος τους.

Υπάρχουν ωστόσο και οδοστρωτήρες με τρεις τροχούς, ένα διευθυντήριο μπροστά και δύο

κινητήριους (με κοινό άξονα) πίσω (Σχ.3.2). Η απόσταση μεταξύ των πίσω τροχών είναι όσο το μήκος

του εμπρόσθιου τροχού, ώστε να συμπιέζεται πλήρως μεγαλύτερο πλάτος οδοστρώματος.

Σχ.3.2 Αυτοκινούμενος οδοστρωτήρας με τρεις κυλίνδρους.

Η ειδική φόρτιση επί του εδάφους κυμαίνεται από 2 ως 10 N/mm2, ανάλογα με το βάρος των

κυλίνδρων. Οι οδοστρωτήρες αυτοί έχουν ίδιο βάρος από 2 ως 15 t και μπορεί να είναι και

δονούμενου τύπου, με συχνότητα από 15 έως 80 Hz.

Η κίνηση από το στροφαλοφόρο άξονα του πετρελαιοκινητήρα μεταδίδεται στον κινητήριο τροχό

(εδώ κύλινδρο) με τα συνήθη συστήματα συμπλέκτη – κιβωτίου ταχυτήτων, χωρίς όμως διαφορικό.

Η διεύθυνση του μηχανήματος γίνεται με στροφή του προσθίου διπλού κυλίνδρου προς την επιθυμητή

διεύθυνση. Ο άξονας του κυλίνδρου αυτού στηρίζεται σε ένα πλαίσιο, το οποίο συνδέεται με το

οπίσθιο συγκρότημα του οδοστρωτήρα με άρθρωση στιβαρής κατασκευής. Η άρθρωση αυτή

συνδέεται κατάλληλα με το σύστημα διεύθυνσης και κατά τη στροφή του τιμονιού στρέφεται μαζί με

αυτή και ο πρόσθιος κύλινδρος. Το σύστημα διεύθυνσης, όπως και σε άλλα οχήματα, μπορεί να είναι

μηχανικό ή υδραυλικό.

Η πέδηση γίνεται με ταινιοπέδες που είναι συνήθως μηχανικές με ελατήρια και ενεργούν στον ένα

ή και στους δύο κυλίνδρους. Η αποπέδηση γίνεται υδραυλικά και εφόσον εργάζεται ο κινητήρας.

Στους κυλίνδρους, όπως φαίνεται στο Σχ.2.6, υπάρχουν αποξέστες, για να τους καθαρίζουν από τα

κομμάτια του συμπυκνωμένου υλικού που προσκολλούνται επάνω σε αυτούς. Υπάρχει επίσης και

12

σύστημα ψεκασμού νερού επάνω στους κυλίνδρους, για την περίπτωση που συμπιέζεται ασφαλτικός

τάπητας.

Οι λείοι κύλινδροι είναι εξαιρετικά αποδοτικοί στη συμπίεση άμμου, χαλικιού ή σπασμένης

πέτρας, καθώς και στην εξομάλυνση (ίσιωμα) συνεκτικών εδαφών που έχουν προηγουμένως

συμπιεσθεί από κυλίνδρους με προεξοχές. Κατά τη συμπίεση όμως συνεκτικών εδαφών τείνουν να

σχηματίζουν μία καλά συμπιεσμένη επιφανειακή κρούστα, χωρίς να συμπιέζουν επαρκώς το έδαφος

σε μεγαλύτερο βάθος. Οδοστρωτήρες με έναν κύλινδρο εμπρός και δύο τροχούς με ελαστικά πίσω

έχουν μεγάλη ευελιξία και ικανοποιητική απόδοση στη συμπύκνωση συνεκτικών εδαφών (Σχ.3.2).

Σχ.3.2 Οδοστρωτήρας με έναν λείο κύλινδρο εμπρός και δύο ελαστικούς τροχούς πίσω.

- Με κυλίνδρους με προεξοχές (κατσικοπόδαρα)

Επάνω στο μεταλλικό κύλινδρο είναι συγκολλημένες μεταλλικές προεξοχές («κατσικοπόδαρα») με

ποικίλο μήκος και διατομή (Σχ.3.3). Κατά την κύλιση του κυλίνδρου επί του εδάφους οι προεξοχές

εισχωρούν στο έδαφος «ζυμώνοντάς» το, επιτυγχάνοντας έτσι καλύτερη μίξη των κόκκων (που

μπορεί να είναι και διαφορετικής σύστασης) και συμπίεση του εδάφους από τα χαμηλότερα προς τα

ψηλότερα στρώματα. Η πίεση επί του εδάφους κάτω από τις προεξοχές μπορεί να φθάνει τα 5 N/mm2

ή και περισσότερο. Κατά την επαναλαμβανόμενη διέλευση του κυλίνδρου το βάθος διείσδυσης των

προεξοχών μειώνεται.

Για τη συμπίεση ενός οδοστρώματος μπορεί να προδιαγράφεται

- είτε ο αριθμός των διελεύσεων με συγκεκριμένη πίεση κάτω από τις προεξοχές,

- είτε επανειλημμένες διελεύσεις, με συγκεκριμένη πίεση κάτω από τις προεξοχές, μέχρι βάθος

διείσδυσης των προεξοχών να γίνει μικρότερο ενός προδιαγεγραμμένου ορίου,

- είτε επανειλημμένες διελεύσεις μέχρι το έδαφος να αποκτήσει μία προδιαγεγραμμένη πυκνότητα.

13

Σχ.3.3 Αυτοκινούμενος και ρυμουλκούμενος οδοστρωτήρες με κύλινδρο με προεξοχές.

Οι κύλινδροι με προεξοχές είναι κατάλληλοι για τη συμπίεση συνεκτικών (αργιλωδών) εδαφών και

μιγμάτων τους με άμμο, όχι όμως μόνον άμμου ή χαλικιού. Επίσης το βάθος του στρώματος εδάφους

προς συμπίεση δεν πρέπει να ξεπερνά περίπου το μήκος των προεξοχών.

Σε κάποιες παραλλαγές οι προεξοχές έχουν μορφή μεγαλύτερων επίπεδων πελμάτων ή συνεχούς

πλέγματος (Σχ.3.4, Σχ3.5). Οι κύλινδροι με πλέγμα επιτυγχάνουν πολύ υψηλές τοπικές πιέσεις και

είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι για τη συμπίεση εδαφών που περιέχουν σπασμένη πέτρα, επειδή οι υψηλές

πιέσεις σπάζουν τα θραύσματα πέτρας που προεξέχουν και τα πιέζουν μέσα στον όγκο του υλικού,

δημιουργώντας σχετικά λεία επιφάνεια.

Σχ.3.4 Κύλινδροι με προεξοχές μορφής πέλματος.

14

Σχ.3.5 Κύλινδροι με προεξοχές μορφής συνεχούς πλέγματος.

- Με ελαστικούς τροχούς

Οι ελαστικοί τροχοί, κατά την κύλισή τους επί του εδάφους «ζυμώνουν» το υλικό, συμπιέζοντας τα

στρώματα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Η συμπίεση γίνεται συνήθως με πολλαπλές

διελεύσεις με αυξημένη κάθε λίγες διελεύσεις πίεση ελαστικών. Χρησιμοποιούνται οδοστρωτήρες με

μικρούς ή με μεγάλους τροχούς.

Οι οδοστρωτήρες με μικρούς ελαστικούς τροχούς (Σχ.3.6) διαθέτουν συνήθως έναν εμπρόσθιο και

έναν οπίσθιο άξονα, συνδεδεμένους χωρίς διαφορισμό, με 4 έως 9 τροχούς σε κάθε άξονα. Οι πίσω

τροχοί είναι τοποθετημένοι έτσι ώστε να καλύπτουν κατά την κύλισή τους τα κενά που αφήνουν

μεταξύ τους οι εμπρόσθιοι τροχοί, ώστε να επιτυγχάνεται πλήρης κάλυψη της επιφάνειας μεταξύ των

ακραίων τροχών. Οι τροχοί μπορεί να εδράζονται με τρόπο που να ταλαντεύονται κατά την

περιστροφή τους, ώστε να επιτείνεται το «ζύμωμα».

Σχ.3.6 Οδοστρωτήρας με μικρούς ελαστικούς τροχούς.

15

Οι οδοστρωτήρες με μεγάλους ελαστικούς τροχούς, με συνολικό βάρος μέχρι και 200 t, διαθέτουν

έναν κινητήριο και έναν κινούμενο άξονα με δύο ή και περισσότερους τροχούς ανά άξονα, και

επιτυγχάνουν συμπίεση όλων των τύπων εδάφους σε μεγάλο βάθος. Οι μεγάλοι ελαστικοί τροχοί,

παράλληλα με τη συμπίεση του εδάφους, ωθούν και το υλικό μπροστά τους, επιτυγχάνοντας καλύτερη

μίξη και επίπεδες επιφάνειες.

Στο Σχ.3.6 φαίνεται ενδεικτικά η κατανομή της πίεσης εντός του εδάφους κάτω από μία πιεζόμενη

επίπεδη κυκλική επιφάνεια, που προσεγγίζει ικανοποιητικά την κατανομή της πίεσης κάτω από την

επιφάνεια επαφής ενός ελαστικού τροχού με το έδαφος.

Σχ.3.7 Κατανομή της πίεσης εντός του εδάφους κάτω από πιεζόμενη επίπεδη κυκλική επιφάνεια.

- Με δονούμενους κυλίνδρους ή τροχούς

Πολλά είδη εδάφους, όπως άμμος, χαλίκι και σχετικά μεγάλες πέτρες συμπιέζονται καλύτερα όταν

υφίστανται συνδυασμό πίεσης και δόνησης, επειδή κατά τη δόνησή τους τα κομμάτια τους αλλάζουν

ευκολότερα θέση και προσανατολισμό και εισχωρούν σε υφιστάμενα κενά, με αποτέλεσμα την

αύξηση της πυκνότητας του υλικού. Έτσι χρησιμοποιούνται οδοστρωτήρες με δονούμενους

κυλίνδρους με ή χωρίς προεξοχές (συνήθως μορφής πελμάτων), καθώς και με δονούμενους

ελαστικούς τροχούς. Η δόνηση, με συχνότητα από 15 έως 80 Hz, επιτυγχάνεται είτε με χωριστό

κινητήρα τοποθετημένο επί του οδοστρωτήρα που διεγείρει ολόκληρο το όχημα, συνήθως

ρυμουλκούμενο, είτε με υδραυλικό κινητήρα που περιστρέφει έναν οριζόντιο άξονα με έκκεντρα

βάρη. Η ταχύτητα διέλευσης πρέπει να είναι πολύ χαμηλή, 2,5 ÷ 4 km/h, ώστε να παρέχεται επαρκής

ενέργεια δόνησης στο έδαφος. Κατά τη συμπίεση στρώματος από σχετικά μεγάλες πέτρες μεγέθους

μέχρι και 50 cm, συνολικού πάχους 90 cm, από ρυμουλκούμενο δονούμενο κύλινδρο χωρίς

προεξοχές, βάρους 10 t, με τις δύο πρώτες διελεύσεις επιτεύχθηκε το 60% της τελικής πυκνότητας, με

τις δύο επόμενες το 83%, και με τις δύο τελευταίες το 100%.

16

4. Ελκυστήρες

Οι ελκυστήρες (Σχ.2.2) χρησιμοποιούνται κυρίως για την έλξη ή ώθηση μηχανημάτων έργων, αλλά

και γενικότερα για εργασίες όπου απαιτείται ελκτική ή ωστική δύναμη, όπως εκρίζωση δένδρων με τη

βοήθεια καλωδίων ή ρυμούλκηση βαρέων φορτίων. Μπορούν να είναι τροχοφόροι ή ερπυστριοφόροι.

Η σύνδεση του ρυμουλκουμένου οχήματος με τον ελκυστήρα γίνεται συνήθως μέσω μίας δοκού έλξης

στο οπίσθιο μέρος του ελκυστήρα, της οποίας η θέση μπορεί να ρυθμίζεται εγκάρσια, διαμήκως και

καθ’ ύψος («αιωρούμενη», Σχ.4.1). Συνήθως οι ελκυστήρες είναι εφοδιασμένοι και με μία ίδια

διάταξη στο εμπρόσθιο μέρος τους, ώστε να μπορούν να ρυμουλκηθούν μόνοι τους σε περίπτωση πχ.

που βυθιστούν σε λασπώδες έδαφος, με τη βοήθεια ενός καλωδίου περασμένου γύρω από ένα

σταθερό στήριγμα.

Σχ.4.1 Διάταξη δοκού έλξης: 1: Δοκός έλξης. 2: Μπάρα σε σχήμα τόξου με οπές για τη ρύθμιση της εγκάρσιας

θέσης της δοκού έλξης. 3: Οπές για την τοποθέτηση του πίρου ζεύξης. 4: Ασφαλιστικές κλειδώσεις του

πίρου ζεύξης.

4.1 Τροχοφόροι ελκυστήρες

Οι τροχοφόροι ελκυστήρες συνήθως έχουν κίνηση και στους 4 τροχούς, για μεγιστοποίηση της

δύναμης έλξης και μείωση της ολίσθησης. Μικρότεροι ελκυστήρες μπορεί να έχουν κατ’ αρχήν

κίνηση μόνο στους δύο οπίσθιους τροχούς, που έχει το πλεονέκτημα ότι σε σταθερό, μη υποχωρητικό

17

έδαφος οι απώλειες στο σύστημα μετάδοσης κίνησης είναι μικρότερες λόγω διέλευσης ολόκληρης της

ισχύος δια του συστήματος μετάδοσης των οπίσθιων τροχών (κεντρικοί άξονες, διαφορικό, ημιαξόνια,

ακραίες μεταδόσεις), ενώ σε ανομοιογενές έδαφος (με μεταβαλλόμενο συντελεστή πρόσφυσης) η σε

ανηφορική πορεία (με μειωμένο βάρος στους εμπρόσθιους τροχούς) αποφεύγεται η μετάδοση ισχύος

στους τροχούς με τη μειωμένη πρόσφυση και συνεπώς μεγαλύτερη ολίσθηση, που εκτός από αύξηση

των απωλειών, μπορεί να προκαλέσει και μείωση της αναπτυσσόμενης δύναμης πρόωσης. Ωστόσο σε

όλους τους ελκυστήρες με κίνηση στους δύο οπίσθιους τροχούς υπάρχει πάντα η δυνατότητα κατ’

επιλογήν μετάδοσης της κίνησης και στους εμπρόσθιους τροχούς, για κίνηση σε υποχωρητικά εδάφη.

Για την έλξη αποξεστήρων χρησιμοποιούνται και δίτροχοι ελκυστήρες, που παρουσιάζουν μειωμένη

αντίσταση κύλισης και μικρότερες απώλειες μετάδοσης κίνησης, αλλά πολύ δυσκολότερη διεύθυνση.

Λόγω της μεγάλης τους φόρτισης καθώς και της αντίστοιχα αυξημένης εσωτερικής πίεσης του

αέρα (5 bar ή και περισσότερο), χρησιμοποιούνται ελαστικά με πολλά λινά, δηλ. αλλεπάλληλες

στρώσεις από rayon ή nylon που παρεμβάλλονται μεταξύ των στρώσεων ελαστικού, καθώς και με

δέσμες από χαλύβδινα σύρματα στα χείλη του ελαστικού που εφαρμόζουν στο σώτρο (Σχ.4.2).

Σχ.4.2 Ελαστικό οχήματος δομικών έργων με τέσσερα λινά και ενισχυτική δέσμη χαλύβδινων συρμάτων στα

χείλη: 1 σώτρο, 2 αεροθάλαμος, 3 και 4 στρώσεις ελαστικού, 5 δέσμη χαλύβδινων συρμάτων, 6

βαλβίδα αέρα.

Για την εξασφάλιση μεγάλης πρόσφυσης τα ελαστικά κατασκευάζονται με ανώμαλες επιφάνειες

διαφόρων μορφών, αναλόγως του είδους του εδάφους εργασίας του οχήματος. Τα ελαστικά α και β

του Σχ.4.3 αντέχουν μεγάλες φορτίσεις και επιτρέπουν την ανάπτυξη αρκετά μεγάλων δυνάμεων

πρόωσης. Είναι κατάλληλα για μαλακά και χαλαρά εδάφη (λάσπη, άμμος, χαλίκια), όπου χάρη στη

μεγάλη επιφάνεια επαφής τους με το έδαφος δεν βυθίζονται εύκολα. Χρησιμοποιούνται συχνά σε μη

18

κινητήριους τροχούς (πχ. ρυμουλκούμενων αποξεστήρων). Τα ελαστικά γ, δ, ε και ζ εξασφαλίζουν

πολύ καλή πρόσφυση και συνεπώς παρέχουν τη δυνατότητα ανάπτυξης μεγάλων δυνάμεων έλξης,

ιδιαίτερα σε υγρά ή αργιλώδη εδάφη. Αυτοκαθαρίζονται από προσκολλώμενη λάσπη κατά την

περιστροφή τους. Τέλος οι τύποι η και θ συνδυάζουν ικανοποιητική πρόσφυση με μεγάλη αντοχή σε

φθορά και είναι κατάλληλοι για σκληρά εδάφη, ενώ η διαμόρφωση συντελεί στην αποφυγή ολίσθησης

σε σκληρά εδάφη που καλύπτονται από στρώμα νερού.

Σχ.4.3 Επιφάνειες ελαστικών για χρήση σε οχήματα δομικών έργων.

Η χρήση δίδυμων τροχών επιτρέπει την αύξηση του βάρους του ελκυστήρα και μειώνει την

επιφανειακή πίεση. Επίσης αυξάνει την ευστάθεια του οχήματος, τόσο λόγω της αύξησης του πλάτους

έδρασης, όσο και επειδή λόγω χρήσης δύο μικρότερων τροχών αντί ενός μεγαλύτερου το κέντρο

βάρους του οχήματος μετατοπίζεται χαμηλότερα, με συνέπεια την ευχερέστερη λειτουργία του σε

κεκλιμένα αναχώματα. Ωστόσο δυσχεραίνει τη διεύθυνση του ελκυστήρα, ενώ οι πέτρες που

σφηνώνονται μεταξύ τους επιταχύνουν τη φθορά των ελαστικών. Επίσης κατά την κίνηση σε

ανώμαλα ή κεκλιμένα εδάφη, καθώς και όταν υπάρχει διαφορά πίεσης στους αεροθαλάμους ή μικρή

διαφορά διαμέτρων, ο τροχός με τη μεγαλύτερη πίεση ή διάμετρο υπερφορτίζεται, ενώ κατά τη

στροφή ο εξωτερικός τροχός κάθε ζεύγους διδύμων αναγκάζεται να διανύει μεγαλύτερη απόσταση

από τον αντίστοιχο εσωτερικό, με αποτέλεσμα να ολισθαίνει και να φθείρεται ταχύτερα.

19

4.2 Ερπυστριοφόροι ελκυστήρες

Ένα τυπικό σύστημα ερπύστριας ελκυστήρα (όπως αυτός του Σχ.2.2), αλλά και γενικότερα

οχήματος δομικών έργων, απεικονίζεται στο Σχ.4.4. Επί ενός φορέα κοχλιωμένου στο σκάφος (σασί)

του οχήματος εδράζονται οι τροχοί κύλισης (ή τροχοί εδάφους), οι τροχοί στήριξης, ο τροχός

τάνυσης και ο κινητήριος τροχός, γύρω από τους οποίους τυλίγεται η ερπύστρια. Το βάρος του

οχήματος μεταβιβάζεται μέσω του φορέα στους τροχούς κύλισης, τάνυσης και κινητήριο, και από

αυτούς μέσω της ερπύστριας στο έδαφος. Το όχημα προωθείται με περιστροφή από τον κινητήρα του

κινητήριου τροχού, που μέσω της οδόντωσής του περιστρέφει την ερπύστρια, εξαναγκάζοντας τους

τροχούς κύλισης και τάνυσης σε κύλιση επί της ερπύστριας.

Σχ.4.4 Σύστημα ερπύστριας οχήματος δομικών έργων.

Η ερπύστρια αποτελείται από πέδιλα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με αρθρώσεις που

επιτρέπουν τη στροφή του κάθε πέδιλου ως προς το προηγούμενο ή το επόμενό του, ώστε να είναι

δυνατή η τύλιξη της ερπύστριας γύρω από τούς τροχούς και η προσαρμογή της στις ανωμαλίες του

εδάφους.

Στα οχήματα δομικών έργων τα πέδιλα αποτελούνται συνήθως από δύο παράλληλες φλάντζες και

ένα χωριστό πέλμα που βιδώνεται πάνω στις φλάντζες (Σχ.4.5). Έτσι, αν τα πέλματα φθαρούν, είναι

δυνατή η αντικατάστασή τους χωρίς να απαιτείται αντικατάσταση ολόκληρων των πέδιλων. Στην

επιφάνεια επαφής των πελμάτων με το έδαφος είναι διαμορφωμένοι όνυχες, για αύξηση της

πρόσφυσης και της αντοχής των πελμάτων. Στους προωθητές γαιών χρησιμοποιούνται πέδιλα με έναν

σχετικά μεγάλο όνυχα, ώστε να επιτυγχάνεται η μεγαλύτερη δυνατή πρόσφυση για την επίτευξη

μεγάλης δύναμης πρόωσης (και συνεπώς ώθησης). Στους φορτωτές και τους εκσκαφείς

χρησιμοποιούνται πέδιλα με τρεις μικρότερους όνυχες, ώστε αφ’ ενός να εξασφαλίζεται επαρκής

δύναμη πρόωσης, αφ’ ετέρου να μην αυξάνεται υπερβολικά η αντίσταση κύλισης, για την οποία

20

Σχ.4.5 Πέδιλα ερπύστριας.

1. Μη λιπαινόμενη άρθρωση: στεγανοποίηση του εδράνου πίρου – χιτωνίου με δισκοειδή ελατήρια.

2. Λιπαινόμενη άρθρωση: στεγανοποίηση του εδράνου πίρου – χιτωνίου με πολυμερή στεγανωτικά.

δαπανάται σχεδόν ολόκληρη η ισχύς πρόωσης αυτών των οχημάτων. Τα πέδιλα πρέπει να έχουν το

απαραίτητο πλάτος για την εξασφάλιση επαρκώς χαμηλής επιφανειακής πίεσης για την κίνηση του

οχήματος. Ωστόσο αν είναι υπερβολικά πλατιά, είναι δυνατόν οι όνυχες να μην εισχωρούν πλήρως

στο έδαφος και το επίπεδο τμήμα των πελμάτων να μην πατά στο έδαφος. Τότε όλο το βάρος του

οχήματος παραλαμβάνεται από τους όνυχες, κάτι που οδηγεί σε γρήγορη φθορά τους, ενώ η καμπτική

καταπόνηση των πελμάτων μπορεί να προκαλέσει την παραμόρφωσή τους. Οι φλάντζες του κάθε

πέδιλου συνδέονται με σφιχτή συναρμογή στη μία άκρη τους με ένα κυλινδρικό χιτώνιο και στην

άλλη με έναν πίρο, ο οποίος εδράζεται και μπορεί να στρέφεται μέσα στο χιτώνιο του επόμενου

πέδιλου. Η στροφή μεταξύ δύο γειτονικών πέδιλων επιτυγχάνεται με στροφή του πίρου του ενός

πέδιλου μέσα στο χιτώνιο του άλλου. Για την αποφυγή της φθοράς τους η επιφάνεια επαφής μεταξύ

πίρου και χιτωνίου μπορεί να λιπαίνεται. Στην περίπτωση αυτή το εσωτερικό του πίρου είναι γεμάτο

με λάδι, που διοχετεύεται μέσω μίας οπής στην επιφάνεια τριβής του με το χιτώνιο (Σχ.4.6).

Για την αποφυγή της φθοράς του οδοστρώματος, σε ερπυστριοφόρα οχήματα που κινούνται σε

ασφαλτόστρωτους δρόμους χρησιμοποιούνται επίπεδα πέδιλα, ενώ για κίνηση επί μαλακών εδαφών

χρησιμοποιούνται πέδιλα μαλακού εδάφους (Σχ.4.7).

Τα ερπυστριοφόρα οχήματα δομικών έργων είτε δεν διαθέτουν καθόλου ανάρτηση είτε διαθέτουν

«ημιάκαμπτη» ανάρτηση, που επιτρέπει την κατακόρυφη μετατόπιση μόνον του εμπρόσθιου μέρους

κάθε ερπύστριας. Στη δεύτερη περίπτωση οι φορείς των δύο συστημάτων εδράζονται σταθερά στο

21

Σχ.4.6 Λιπαινόμενη άρθρωση πέδιλων ερπύστριας.

Σχ.4.7 Ειδικά πέδιλα για προστασία των οδοστρωμάτων.

οπίσθιο μέρος του σκάφους του οχήματος μέσω του άξονα των κινητήριων τροχών και στο

εμπρόσθιο μέσω ενός κοινού ημιελλειπτικού ελατηρίου (Σχ.4.8).

Σχ.4.8 «Ημιάκαμπτη» ανάρτηση ερπυστριοφόρου οχήματος χαμηλής ταχύτητας.

1: ημιελλειπτικό ελατήριο, 2: άξονας έδρασης του σκάφους του οχήματος επί του ελατηρίου, 3: φορέας,

4: κινητήριος τροχός, 5: άξονας κινητήριων τροχών.

22

Ένα τυπικό σύστημα ερπύστριας οχήματος δομικών έργων (ενός ελκυστήρα - φορτωτή) και ο

τρόπος σύνδεσής του με το πλαίσιο του οχήματος απεικονίζεται στο Σχ.4.9.

Σχ.4.9 Πλαίσιο και σύστημα ερπύστριας ερπυστριοφόρου φορτωτή.

23

4.3 Ολίσθηση και δύναμη πρόωσης

Κατά την πρόωσή του, τόσο ένα τροχοφόρο, όσο και ένα ερπυστριοφόρο όχημα, παρουσιάζει

πάντοτε ολίσθηση, δηλ. διανύει απόσταση μικρότερη από αυτήν που αντιστοιχεί στην ελεύθερη

(χωρίς παραμόρφωση) κύλιση του μέσου κίνησής του (τροχών ή ερπυστριών) επί του εδάφους. Η

ολίσθηση s ενός οχήματος ορίζεται:

00

0 1V

V

l

lls (4.1)

όπου l : η απόσταση που πραγματικά διανύει το όχημα σε χρόνο t (l = Vt),

l0 : η απόσταση που θα διάνυε το όχημα σε χρόνο t σε ελεύθερη κύλιση (lo = V0 t),

V : η πραγματική ταχύτητα του οχήματος,

V0 : η ταχύτητα του οχήματος που αντιστοιχεί σε ελεύθερη κύλιση.

Συχνά η ολίσθηση εκφράζεται και σαν ποσοστό %.

Η ταχύτητα ελεύθερης κύλισης V0 του οχήματος είναι

rV0 (4.2)

όπου για ένα τροχοφόρο όχημα

ω : η γωνιακή ταχύτητα των κινητήριων τροχών και

r = rd : η δυναμική ακτίνα κύλισης των κινητήριων τροχών,

ενώ για ένα ερπυστριοφόρο όχημα:

ω : η γωνιακή ταχύτητα του κινητήριου τροχού της ερπύστριας και

r = rk : η ακτίνα του κινητήριου τροχού της ερπύστριας.

Σε ένα τροχοφόρο όχημα η ολίσθηση οφείλεται στην παράλληλα προς την επιφάνεια του εδάφους

παραμόρφωση των ελαστικών τροχών του και του εδάφους, ενώ σε ένα ερπυστριοφόρο σχεδόν

αποκλειστικά στην παράλληλα προς την επιφάνειά του παραμόρφωση του εδάφους, αφού η

παραμόρφωση της ερπύστριας κατά την κύλισή της είναι αμελητέα. Επειδή οι παραμορφώσεις αυτές

οφείλονται στις τάσεις που δημιουργούνται επί της επιφάνειας επαφής των τροχών ή της ερπύστριας

με το έδαφος κατά την ανάπτυξη της δύναμης πρόωσης, υφίσταται άμεση συνάρτηση μεταξύ της

ολίσθησης ενός οχήματος και της δύναμης πρόωσής του. Η συνάρτηση αυτή εξαρτάται κυρίως από το

είδος του τροχού ή της ερπύστριας (υλικό, διαμόρφωση) και το είδος του εδάφους. Στο Σχ.4.10

παριστάνονται ενδεικτικά οι συναρτήσεις ολίσθησης – δύναμης πρόωσης για ένα τροχοφόρο και για

ένα ερπυστριοφόρο όχημα του ιδίου βάρους πάνω στο ίδιο έδαφος.

24

Ο συντελεστής πρόσφυσης μκ ενός οχήματος ορίζεται ως:

G

F , (4.3)

όπου F : η δύναμη πρόωσης και

G : το βάρος του οχήματος.

Σχ.4.10 Ενδεικτικές συναρτήσεις δύναμης πρόωσης – ολίσθησης για ένα τροχοφόρο και για ένα

ερπυστριοφόρο όχημα του ιδίου βάρους πάνω στο ίδιο έδαφος.

Όπως φαίνεται στο Σχ.4.10, ένα τροχοφόρο όχημα παρουσιάζει (στα περισσότερα εδάφη) έναν

μέγιστο συντελεστή πρόσφυσης για κάποια τιμή ολίσθησης, μετά την οποία ο συντελεστής

πρόσφυσης μειώνεται. Αντίθετα, για ένα ερπυστριοφόρο όχημα ο συντελεστής πρόσφυσης

παρουσιάζει διαρκή αύξηση με αυξανόμενη ολίσθηση (Σχ.4.10). Ωστόσο και για ένα ερπυστριοφόρο

ορίζεται κατά προσέγγιση ένας μέγιστος συντελεστής πρόσφυσης, αυτός που αντιστοιχεί σε μία

μέγιστη αποδεκτή τιμή της ολίσθησης, πέρα από την οποία η απώλεια ισχύος λόγω ολίσθησης είναι

απαράδεκτη, ενώ η αύξηση του συντελεστή πρόσφυσης είναι πλέον ελάχιστη (στο Σχ.4.10 για

ολίσθηση περίπου 0,25). Στον Πίν. 4.1 δίνονται μέσες τιμές του μέγιστου συντελεστή πρόσφυσης για

τροχοφόρους και ερπυστριοφόρους ελκυστήρες σε διάφορα είδη εδάφους.

Οι ερπυστριοφόροι ελκυστήρες πλεονεκτούν ως προς τη μικρότερη επιφανειακή πίεση (περίπου το

1/3 αυτής των τροχοφόρων), που τους επιτρέπει να εργάζονται σε μη συνεκτικά εδάφη (λάσπη,

άμμος), όπου οι τροχοφόροι κινδυνεύουν να βυθιστούν, ως προς τον υψηλότερο συντελεστή

πρόσφυσης, που καθιστά δυνατή την ανάπτυξη μεγαλύτερης ελκτικής δύναμης, τη μικρότερη

ολίσθηση στα περισσότερα εδάφη, τον μικρότερο κίνδυνο ανατροπής και τη μικρότερη ακτίνα

στροφής.

25

Έδαφος Τροχοφόρος ελκυστήρας Ερπυστριοφόρος ελκυστήρας

Ξηρό και τραχύ σκυρόδεμα 0,8 ÷ 1,0 0,45

Ξηρό, πηλώδες 0,5 ÷ 0,7 0.90

Υγρό, πηλώδες 0,4 ÷ 0,5 0,70

Υγρή άμμος 0,3 ÷ 0,4 0,35

Στεγνή άμμος 0,2 ÷ 0,3 0,30

Χαλίκι 0,3 ÷ 0,4 0,35

Συμπαγές χιόνι 0,20 0,15 ÷ 0,35

Πάγος 0,10 0,10 ÷ 0,25

Πίν.4.1 Μέσες τιμές του μέγιστου συντελεστή πρόσφυσης για τροχοφόρους και ερπυστριοφόρους ελκυστήρες

σε διάφορα είδη εδάφους.

Οι τροχοφόροι ελκυστήρες πλεονεκτούν ως προς τη μεγαλύτερη ταχύτητα πρόωσης, τη μεγαλύτερη

ευελιξία, τη μικρότερη αντίσταση κύλισης και το μικρότερο κόστος αγοράς και συντήρησης. Επίσης

δεν απαιτούν τη μεταφορά τους πάνω σε πλατφόρμες όπως οι ερπυστριοφόροι, οι οποίοι κατά την

κίνηση επί ασφαλτοστρωμένων δρόμων προξενούν μεγάλη φθορά τους.

4.4 Αντίσταση κύλισης

Για την πρόωση ενός οχήματος σε οποιοδήποτε έδαφος απαιτείται η υπερνίκηση της αντίστασης

κύλισής του, δηλ. της δύναμης αντίστασης στην κίνηση του οχήματος που προκαλείται από

α) την ανελαστική παραμόρφωση του μέσου κίνησης (τροχών ή ερπυστριών) και τις εσωτερικές

τριβές που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του κατά την κύλισή του,

β) την τριβή ολίσθησης του μέσου κίνησης επί του εδάφους και

γ) την (ανελαστική) παραμόρφωση του εδάφους.

Σε έναν τροχοφόρο ελκυστήρα οι σημαντικότεροι παράγοντες δημιουργίας αντίστασης κύλισης

είναι η υστέρηση κατά τη παραμόρφωση των ελαστικών του, σε μικρότερο βαθμό η τριβή ολίσθησης

των ελαστικών επί του εδάφους και η τριβή στα έδρανα των τροχών, και βεβαίως η παραμόρφωση του

εδάφους, τόσο λόγω της συμπίεσης του από το βάρος επί των τροχών, όσο και λόγω της ώθησής του

εμπρός από τους τροχούς.

Σε έναν ερπυστριοφόρο ελκυστήρα η αντίσταση κύλισης οφείλεται στις εσωτερικές τριβές μεταξύ

των μερών της ερπύστριας (κυρίως στα έδρανα των τροχών, στις εδράσεις των πίρων, μεταξύ των

δοντιών του κινητήριου τροχού και των πέδιλων) και στην παραμόρφωση του εδάφους (επίσης λόγω

συμπίεσης και ώθησης). Ολίσθηση της ερπύστριας επί του εδάφους δεν συμβαίνει.

O συντελεστής αντίστασης κύλισης μr ενός οχήματος ορίζεται ως

26

G

Rr , (4.4)

όπου R : η αντίσταση κύλισης του οχήματος και

G : το βάρος του οχήματος.

O συντελεστής αντίστασης κύλισης τόσο για τα τροχοφόρα, όσο και για τα ερπυστριοφόρα

οχήματα είναι ασθενής αύξουσα συνάρτηση της ταχύτητας, ενώ στα τροχοφόρα αυξάνεται μετρίως

και με την ολίσθηση.

Στον Πίν.4.2 δίνονται μέσες τιμές του συντελεστή αντίστασης κύλισης για τροχοφόρους και

ερπυστριοφόρους ελκυστήρες σε διάφορα είδη εδάφους.

Έδαφος Τροχοφόρος Ερπυστριοφόρος

Ξηρό και τραχύ σκυρόδεμα 0,02 0,06 ÷ 0,10

Σταθερός χωματόδρομος, έδαφος οικοδομικών εργασιών: 0,05 0,08 ÷ 0,11

Στεγνό, συμπαγές πηλώδες έδαφος: 0,05 ÷ 0,10 0,10 ÷ 0,12

Υγρό, μαλακό πηλώδες έδαφος: 0,20 ÷ 0,30 0,10 ÷ 0,13

Χαλαρή άμμος (εξαρτάται από την επιφανειακή πίεση): 0,15 ÷ 0,30 0,10 ÷ 0,16

Χαλίκι 0,12 ÷ 0,15 0,12 ÷ 0,15

Συμπαγές χιόνι 0,025

Χαλαρό χιόνι 0,045

Πίν.4.2 Μέσες τιμές του συντελεστή αντίστασης κύλισης για τροχοφόρους και ερπυστριοφόρους ελκυστήρες

σε διάφορα είδη εδάφους.

4.5 Δύναμη έλξης

Η δύναμη πρόωσης F ενός ελκυστήρα δαπανάται για την υπερνίκηση των αντιστάσεων κίνησής

του (της αντίστασης κύλισης, της αντίστασης λόγω κλίσης του εδάφους, της αεροδυναμικής

αντίστασης κλπ.) και για την έλξη (ή ώθηση) ενός μηχανήματος έργων:

dFRF , (4.5)

όπου ΣR : το άθροισμα των αντιστάσεων κίνησης του ελκυστήρα και

Fd : η δύναμη έλξης (ή ώθησης) του μηχανήματος.

Η δύναμη πρόωσης F αναπτύσσεται από τη ροπή Μw στους κινητήριους τροχούς του ελκυστήρα

(τους κινητήριους ελαστικούς τροχούς ή τους κινητήριους τροχούς των ερπυστριών):

FrM w , (4.6)

27

όπου r : η ακτίνα των κινητήριων τροχών (η δυναμική ακτίνα των ελαστικών τροχών rd ή η ακτίνα

των κινητήριων τροχών των ερπυστριών rk)

Η βασική λειτουργία ενός ελκυστήρα είναι η έλξη ή ώθηση μηχανημάτων έργων. Σαν συνέπεια η

απόδοσή του αξιολογείται κυρίως με βάση τη δυνατότητά του να αξιοποιεί την ισχύ του κινητήρα για

την ανάπτυξη δύναμης έλξης ή ώθησης.

4.7 Βαθμός απόδοσης έλξης

Κατά τη μεταφορά της στους κινητήριους τροχούς ενός τροχοφόρου ή ερπυστριοφόρου ελκυστήρα

η ισχύς του κινητήρα P μειώνεται κατά τις απώλειες του συστήματος μετάδοσης κίνησης:

PFrM mwww , (4.7)

όπου Μw : η ροπή στους κινητήριους τροχούς (τους κινητήριους ελαστικούς τροχούς ή η τους

κινητήριους τροχούς των ερπυστριών),

ωw : η γωνιακή ταχύτητα των κινητήριων τροχών,

F : η δύναμη πρόωσης που αναπτύσσει το όχημα,

r : η ακτίνα των κινητήριων τροχών (η δυναμική ακτίνα των ελαστικών τροχών rd ή η ακτίνα

των κινητήριων τροχών των ερπυστριών rk)

ηm : ο βαθμός απόδοσης του συστήματος μετάδοσης κίνησης.

Λόγω της ολίσθησης του ελκυστήρα η ταχύτητα πρόωσής του V είναι μικρότερη της ταχύτητας

ελεύθερης κύλισής του ωwr (εξ.4.2):

rsV w)1( , (4.8)

ή:

rV ws (4.9)

όπου ο βαθμός απόδοσης πρόσφυσης

ss 1 (4.10)

εκφράζει την απώλεια ταχύτητας πρόωσης του ελκυστήρα λόγω ολίσθησης.

Από την εξ.4.7 προκύπτει με τη βοήθεια της εξ.4.10:

PFV ms (4.11)

28

Το ποσοστό της δύναμης πρόωσης F που διατίθεται για την ανάπτυξη δύναμης έλξης Fd του

ελκυστήρα (εξ.4.5) ορίζεται ως o βαθμός απόδοσης κίνησης ηr:

d

dd

rFR

F

F

F (4.12)

Η ισχύς έλξης Pd που δαπανάται για την έλξη του μηχανήματος είναι:

VFP dd , (4.13)

Με τη βοήθεια των εξ.4.12 και 4.11 προκύπτει από την εξ.4.13:

PP msrd (4.14)

Ο βαθμός απόδοσης έλξης ηd ενός ελκυστήρα ορίζεται ως

rsm

d

dP

P (4.15)

και εκφράζει την αποτελεσματικότητα του ελκυστήρα στη μετατροπή της ισχύος του κινητήρα σε

ισχύ έλξης. Οι επί μέρους συνιστώσες του βαθμού απόδοσης έλξης εκφράζουν την απώλεια ισχύος

στο σύστημα μετάδοσης κίνησης (ηm), την απώλεια ισχύος λόγω ολίσθησης (ηs) και τη δαπάνη ισχύος

για την πρόωση του ίδιου του ελκυστήρα (ηd).

Το τμήμα της συνάρτησης δύναμης πρόωσης – ολίσθησης του Σχ.4.10 μέχρι τη μέγιστη τιμή της

δύναμης πρόωσης (που είναι αυτό που ενδιαφέρει από πρακτική άποψη) μπορεί να παρασταθεί και

ανεστραμμένο, με την ολίσθηση ως συνάρτηση της δύναμης πρόωσης, όπως φαίνεται στο Σχ.4.11.

Από της συνάρτηση ολίσθησης – δύναμης πρόωσης προκύπτει βάσει της εξ.4.10 η συνάρτηση

βαθμού απόδοσης πρόσφυσης – δύναμης πρόωσης (Σχ.4.12).

Σχ.4.11 Τυπική συνάρτηση ολίσθησης – δύναμης πρόωσης τροχοφόρου ή ερπυστριοφόρου ελκυστήρα.

29

Σχ.4.12 Τυπική συνάρτηση βαθμού απόδοσης πρόσφυσης ηs – δύναμης πρόωσης F τροχοφόρου ή

ερπυστριοφόρου ελκυστήρα.

Για έναν ελκυστήρα με μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων και για τις χαμηλές ταχύτητες κίνησης κατά

την εργασία του, ο βαθμός απόδοσης του συστήματος μετάδοσης κίνησης ηm μπορεί με καλή

προσέγγιση να θεωρηθεί ως ανεξάρτητος της ταχύτητας του οχήματος και της επιλεγμένης ταχύτητας

στο κιβώτιο ταχυτήτων, και συνεπώς ως αποκλειστική συνάρτηση της δύναμης πρόωσης F, όπως ο

βαθμός απόδοσης πρόσφυσης ηs.

Με την υπόθεση τέλος ότι λόγω των μικρών ταχυτήτων του οχήματος οι λοιπές αντιστάσεις

κίνησης ΣR απαρτίζονται μόνον από την περίπου σταθερή αντίσταση κύλισης του ελκυστήρα,

προκύπτει η δύναμη έλξης Fd = F – ΣR (εξ.4.5) ως κατά προσέγγιση αποκλειστική συνάρτηση της

δύναμης πρόωσης F. Δηλαδή οι βαθμοί απόδοσης του συστήματος μετάδοσης κίνησης ηm, πρόσφυσης

ηs και πρόωσης ηr (εξ.4.12), και συνεπώς και ο βαθμός απόδοσης έλξης ηd είναι κατά προσέγγιση

αποκλειστικές συναρτήσεις της δύναμης έλξης Fd (και ανεξάρτητοι της επιλεγμένης ταχύτητας του

κιβωτίου ταχυτήτων).

Όπως φαίνεται στο Σχ.4.13, για περίπου σταθερές αντιστάσεις κίνησης (σε οριζόντιο, ομοιογενές

έδαφος, με χαμηλές ταχύτητες) ο βαθμός απόδοσης πρόωσης ηr αυξάνεται με τη δύναμη έλξης Fd

(εξ.4.11). Αντίθετα ο βαθμός απόδοσης πρόσφυσης ηs μειώνεται, καθώς η αύξηση της δύναμης έλξης,

και συνεπώς της δύναμης πρόωσης, αυξάνει την ολίσθηση των τροχών (Σχ.4.12). Γενικά η ολίσθηση

των κινητήριων τροχών αποτελεί έναν πολύ σημαντικό παράγοντα απώλειας ισχύος κατά τη

λειτουργία εκτός οδοστρώματος. Ο βαθμός απόδοσης του συστήματος μετάδοσης κίνησης ηm

αυξάνεται ελαφρά λόγω της αύξησης της διερχόμενης ισχύος. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης έλξης

παρουσιάζει συνήθως ένα μέγιστο σε μέσες τιμές της δύναμης έλξης και στη συνέχεια μειώνεται λόγω

αύξησης των απωλειών ολίσθησης, μέχρι τελικού μηδενισμού του, όταν η ολίσθηση των τροχών

φθάσει το 100%.

30

Σχ.4.13 Μεταβολή των βαθμών απόδοσης συστήματος μετάδοσης κίνησης ηm, πρόσφυσης ηs, πρόωσης ηr και

έλξης ηd συναρτήσει της δύναμης έλξης Fd ενός τροχοφόρου ελκυστήρα σε οριζόντιο ομοιογενές

έδαφος.

4.8 Διάγραμμα έλξης

Για έναν τροχοφόρο ή ερπυστριοφόρο ελκυστήρα με μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων με l διακριτές

σχέσεις μετάδοσης ik, k = 1, 2,…, l, από το διάγραμμα ροπής Μm – στροφών nm του κινητήρα του και

τη συνάρτηση δύναμης πρόωσης F – ολίσθησης s για το έδαφος επί του οποίου κινείται (Σχ.4.14),

υπολογίζεται το διάγραμμα κίνησής του, δηλ. για κάθε επιλεγμένη ταχύτητα του κιβωτίου ταχυτήτων

οι καμπύλες μέγιστης ταχύτητας που μπορεί να αναπτύξει ο ελκυστήρας συναρτήσει της δύναμης

πρόωσης του.

Σχ.4.14 Διάγραμμα ροπής – στροφών του κινητήρα και συνάρτηση δύναμης πρόωσης – ολίσθησης του

ελκυστήρα.

Αν itk και ηmtk, k = 1, 2,…, l είναι η ολική σχέση μετάδοσης και ο αντίστοιχος βαθμός απόδοσης

του συστήματος μετάδοσης κίνησης για κάθε σχέση μετάδοσης ik του κιβωτίου ταχυτήτων, οι στροφές

nw και η ροπή Mw στους κινητήριους τροχούς του ελκυστήρα προκύπτουν από τις στροφές nm και τη

ροπή Mm του κινητήρα:

31

tk

m

wi

nn (4.16)

mtktkmw iMM (4.17)

Η ταχύτητα V και η δύναμη πρόωσης F του ελκυστήρα είναι τότε:

)1(2

)1(2 srni

srnV m

tk

w (4.18)

mtktk

mw ir

M

r

MF , (4.19)

όπου r η ακτίνα των κινητήριων τροχών (η δυναμική ακτίνα των ελαστικών τροχών rd ή η ακτίνα

των κινητήριων τροχών των ερπυστριών rk), ενώ η ολίσθηση s προκύπτει από τη δύναμη πρόωσης F

του οχήματος (Σχ.4.14).

Το διάγραμμα κίνησης που προκύπτει έτσι από τα διαγράμματα του Σχ.4.14 για έναν ελκυστήρα με

μηχανικό κιβώτιο 6 ταχυτήτων παριστάνεται στο Σχ.4.15.

Λόγω της διαφορετικής ολίσθησης του ελκυστήρα σε διαφορετικά εδάφη, το διάγραμμα κίνησης

εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από το έδαφος επί του οποίου κινείται ο ελκυστήρας. Για κίνηση επί

οριζοντίου εδάφους, η δύναμη έλξης που μπορεί να αναπτύξει ο ελκυστήρας προκύπτει σύμφωνα με

την εξ.4.5 μετά την αφαίρεση από τη δύναμη πρόωσης των λοιπών αντιστάσεων (για μικρές ταχύτητες

κυρίως της αντίστασης κύλισης). Έτσι από το διάγραμμα κίνησης υπολογίζεται για δεδομένο έδαφος

το διάγραμμα έλξης του ελκυστήρα, δηλ. για κάθε ταχύτητα του κιβωτίου ταχυτήτων οι καμπύλες

μέγιστης ταχύτητας συναρτήσει της δύναμης έλξης που αναπτύσσει ο ελκυστήρας (Σχ.4.15).

Σχ.4.15 Διάγραμμα κίνησης και διάγραμμα έλξης ελκυστήρα με μηχανικό κιβώτιο 6 ταχυτήτων.

32

Συχνά το διάγραμμα έλξης παριστάνεται ανεστραμμένο, με τη μέγιστη ταχύτητα ως συνάρτηση της

δύναμης έλξης που αναπτύσσει ο ελκυστήρας. Στο Σχ.4.16, εκτός από τη μέγιστη ταχύτητα,

παριστάνονται επίσης η ολίσθηση (σύμφωνα με το Σχ.4.11, μετά την αφαίρεση από τη δύναμη

πρόωσης της αντίστασης κύλισης) και η μέγιστη ισχύς έλξης Pd (σύμφωνα με την εξ.4.13) συναρτήσει

της δύναμης έλξης του ελκυστήρα. Το διάγραμμα έλξης αποτελεί βασικό στοιχείο για τη σύγκριση και

αξιολόγηση της απόδοσης ελκυστήρων, ενώ παρέχει και απαραίτητα στοιχεία για την επιλογή του

κατάλληλου ελκυστήρα για την έλξη ή ώθηση διάφορων μηχανημάτων έργων.

Σχ.4.16 Διάγραμμα έλξης ελκυστήρα σε σκληρό αργιλώδες έδαφος.

4.9 Σύγκριση της απόδοσης τροχοφόρων ελκυστήρων με κίνηση στους δύο και στους τέσσερις

τροχούς

Οι τροχοφόροι ελκυστήρες με κίνηση στους τέσσερις τροχούς πλεονεκτούν έναντι αυτών με

κίνηση στους οπίσθιους τροχούς ως προς τη δυνατότητά τους να αξιοποιούν ολόκληρο το βάρος τους

για την ανάπτυξη δύναμης πρόωσης. Επί πλέον η κατανομή της δύναμης πρόωσης σε τέσσερις αντί

για δύο τροχούς έχει σαν συνέπεια, για την ίδια δύναμη πρόωσης του οχήματος, την ανάπτυξη

μικρότερης δύναμης πρόωσης από τον κάθε τροχό, και επομένως μικρότερης ολίσθησης, δηλαδή

33

υψηλότερο βαθμό απόδοσης πρόσφυσης ηr και άρα υψηλότερο βαθμό απόδοσης έλξης ηd. Τέλος, ένας

ελκυστήρας με κίνηση στους τέσσερις τροχούς παρουσιάζει μικρότερη αντίσταση κύλισης από έναν

με κίνηση στους δύο, επειδή οι οπίσθιοι τροχοί του κινούνται επάνω στα αυλάκια που διαμορφώνουν

οι περίπου ίσου μεγέθους και φορτίου εμπρόσθιοι τροχοί.

Η διαφορά απόδοσης έλξης μεταξύ ενός ελκυστήρα με κίνηση στους τέσσερις τροχούς και ενός

ελκυστήρα ίσου βάρους με κίνηση στους οπίσθιους τροχούς είναι εμφανής στο παράδειγμα του

Σχ.4.17. Εκτός από καλύτερο βαθμό απόδοσης έλξης, η μειωμένη ολίσθηση των τροχών του

τετρακίνητου ελκυστήρα συνεπάγεται και δυνατότητα ανάπτυξης μεγαλύτερης δύναμης έλξης. Η

διαφορά είναι εμφανέστερη σε μαλακό έδαφος, όπου η ολίσθηση των τροχών είναι μεγαλύτερη.

Σχ.4.17 Σύγκριση της ελκτικής απόδοσης δύο ελκυστήρων ίσου βάρους με κίνηση στους δύο και στους

τέσσερις τροχούς: α) σε στεγνό, σταθερό έδαφος, β) σε υγρό, αργιλώδες έδαφος.

4.10 Σύστημα μετάδοσης κίνησης

Για να μπορούν να ανταποκρίνονται στις συχνές και απότομες μεταβολές της αντίστασης πρόωσης

που χαρακτηρίζουν τις συνθήκες εργασίας τους, τόσο οι ελκυστήρες, όσο και τα υπόλοιπα οχήματα

δομικών έργων, διαθέτουν συνήθως ένα από τα ακόλουθα συστήματα μετάδοσης κίνησης:

- Μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων με υδροδυναμικό μετατροπέα ροπής.

- Υδροστατικό κιβώτιο ταχυτήτων, συχνά σε συνδυασμό με μηχανικό.

- Ηλεκτρικό σύστημα μετάδοσης κίνησης.

34

4.10.1 Μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων με υδροδυναμικό μετατροπέα ροπής

Η συνεργασία ενός υδροδυναμικού μετατροπέα ροπής με το μηχανικό κιβώτιο ενός οχήματος

δομικών έργων είναι απαραίτητη για τους εξής λόγους:

- Αποφεύγεται η συχνή αλλαγή ταχυτήτων, επειδή ο μετατροπέας διευρύνει το πεδίο τιμών ροπής

πρόωσης για κάθε σχέση του μηχανικού κιβωτίου. Στις υψηλές σχέσεις μετάδοσης στις οποίες

λειτουργεί όταν παρουσιάζονται μεγάλες αυξήσεις της αντίστασης πρόωσης, ο μετατροπέας μπορεί

να πενταπλασιάζει ή και να αυξάνει ακόμα περισσότερο τη ροπή του κινητήρα. Ένα μηχανικό

κιβώτιο ταχυτήτων με αντίστοιχες σχέσεις μετάδοσης θα ήταν τεράστιο.

- Για την ίδια αύξηση της αντίστασης πρόωσης, η μείωση των στροφών του κινητήρα, και συνεπώς

της ταχύτητας του οχήματος, είναι πολύ μικρότερη από ότι μόνο με μηχανικό κιβώτιο.

Στο Σχ.4.18 παριστάνεται σχηματικά η γενική διάταξη του συστήματος πρόωσης ενός τροχοφόρου

ελκυστήρα – φορτωτή. Η κίνηση μεταδίδεται από τον κινητήρα (1) στον μετατροπέα ροπής (2) και δια

του κεντρικού άξονα (3) στο κιβώτιο ταχυτήτων (4). Από το κιβώτιο ταχυτήτων η κίνηση μεταδίδεται

μέσω του κιβωτίου μετάδοσης (5) και του άξονα εξόδου του (6) στα διαφορικά του εμπρόσθιου άξονα

(11) δια των κεντρικών αξόνων (7) και (9), και του οπίσθιου άξονα (12) δια του κεντρικού άξονα (10).

Το κιβώτιο μετάδοσης χρησιμεύει για την κάλυψη της απόστασης μεταξύ του άξονα εξόδου του

κιβωτίου ταχυτήτων και των κεντρικών αξόνων (7) και (10) Για να εξασφαλίζεται η ανάπτυξη

επαρκούς δύναμης πρόωσης σε συνθήκες ανομοιομορφίας συντελεστή πρόσφυσης, το σύστημα δεν

Σχ.4.18 Γενική διάταξη συστήματος πρόωσης τροχοφόρου φορτωτή:

1. Κινητήρας

2.Υδροδυν. μετατροπέας ροπής

3. Κεντρικός άξονας

4. Κιβώτιο ταχυτήτων

5. Κιβώτιο μετάδοσης

6. Άξονας εξόδου κιβ. μετάδοσης

7. Κεντρικός άξονας

8. Ενδιάμεση έδραση

9. Κεντρικός άξονας

10. Οπίσθια άτρακτος

11. Εμπρόσθιος άξονας

12. Οπίσθιος άξονας

35

διαθέτει ενδιάμεσο διαφορικό, ενώ τα διαφορικά εμπρόσθιου και οπίσθιου άξονα είναι περιορισμένου

διαφορισμού.

Στην κάτοψη του συστήματος στο Σχ.4.19 φαίνεται η μετάδοση της κίνησης στο δυναμοδότη (2)

Σχ.4.19 Διαγραμματική παράσταση συστήματος πρόωσης τροχοφόρου φορτωτή (Υπόμνημα στην επόμενη

σελίδα)

36

1. Κινητήρας

2. Δυναμοδότης

3. Αντλία τροφοδότησης υδρ. μετατροπέα ροπής

4. Αντλία υδραυλικού συστήματος και διεύθυνσης

5. Υδροδυναμικός μετατροπέας ροπής

6. Κεντρικός άξονας

7. Κιβώτιο ταχυτήτων

8. Κιβώτιο μετάδοσης

9. Εφεδρική αντλία διεύθυνσης

10. Κεντρικός άξονας

11. Ενδιάμεση έδραση

12. Κεντρικός άξονας

13. Φρένο στάθμευσης

14. Εμπρόσθιο διαφορικό

15. Εμπρόσθιος άξονας

16. Πέδη

17. Εμπρόσθια τελική μετάδοση

18. Εμπρόσθιο ελαστικό

19. Οπίσθια άτρακτος

20. Οπίσθιο διαφορικό

21. Οπίσθιος άξονας

22. Πέδη

23. Οπίσθια τελική μετάδοση

24. Οπίσθιο ελαστικό

37

μέσω οδοντωτών τροχών αμέσως μετά το σφόνδυλο του κινητήρα και πριν τον υδροδυναμικό

μετατροπέα ροπής. Ο ίδιος κλάδος κινεί την αντλία (3) τροφοδότησης του μετατροπέα και την αντλία

(4) του υδροστατικού συστήματος του φορτωτή (που τροφοδοτεί επίσης και το υδροστατικό σύστημα

διεύθυνσης). Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι πλανητικό, χειροκίνητο, τεσσάρων ταχυτήτων πρόσω και

τεσσάρων όπισθεν. Μία εφεδρική αντλία διεύθυνσης κινείται από έναν ενδιάμεσο άξονα του κιβωτίου

μετάδοσης. Διακρίνονται επίσης, ενσωματωμένες στις πλήμνες των τροχών, οι πέδες πολύδισκου

συμπλέκτη και οι πλανητικού τύπου τελικές μεταδόσεις των τροχών.

Στο Σχ.4.20 φαίνεται ο οπίσθιος άξονας του φορτωτή και στο Σχ.4.21 η πλανητική τελική

μετάδοση και η πέδη με πολύδισκο συμπλέκτη.

Σχ.4.20 Οπίσθιος άξονας ελκυστήρα – φορτωτή. 1: Κέλυφος άξονα, 2: Διαφορικό, 3: Πέδη με πολύδισκο

συμπλέκτη, 4: Πλανητική τελική μετάδοση.

38

Σχ.4.21 Τελική μετάδοση: 1 Τροχός, 2 Πλήμνη, 3 Ημιαξόνιο, 4 Ήλιος, 5 Φορέας, 6 Πλανήτης, 7 Στεφάνη,

8 Πολύδισκος συμπλέκτης πέδης

Σημαντικό μειονέκτημα του υδροδυναμικού μετατροπέα είναι ότι η επαύξηση της ροπής πρόωσης

που επιτυγχάνει σε χαμηλές ταχύτητες του οχήματος (υψηλές σχέσεις μετάδοσης) συνοδεύεται από

χαμηλό βαθμό απόδοσης, δηλ. αυξημένες απώλειες ισχύος. Για τον περιορισμό αυτών των απωλειών

εφαρμόζονται μηχανικά συστήματα μετάδοσης με υδροδυναμικό μετατροπέα και διαίρεση ισχύος,

στα οποία, μέσω ενός διαφορικού μηχανισμού, η ισχύς διαμοιράζεται σε δύο παράλληλους κλάδους,

ένα μηχανικό κιβώτιο και τον υδροδυναμικό μετατροπέα (Σχ.4.22). Ενώ κατά την εκκίνηση ολόκληρη

Σχ.4.22 Αρχή λειτουργίας της διαίρεσης ισχύος με υδροδυναμικό μετατροπέα ροπής.

39

η ισχύς διέρχεται δια του μετατροπέα, καθώς επιταχύνεται το όχημα, όλο και μεγαλύτερο ποσοστό

ισχύος διέρχεται για του μηχανικού κιβωτίου, που έχει πολύ καλύτερο βαθμό απόδοσης και συνεπώς

μικρότερες απώλειες (Σχ.4.23).

Σχ.4.23 Διαίρεση ισχύος με υδροδυναμικό μετατροπέα ροπής. Το σύνθετο πλανητικό σύστημα λειτουργεί και

ως διαφορικός μηχανισμός. Μεταβολή του λόγου της ισχύος PTC διά του μετατροπέα προς τη

συνολική ισχύ εισόδου P συναρτήσει του λόγου στροφών εξόδου – εισόδου nout/nin.

4.10.2 Υδροστατικό κιβώτιο ταχυτήτων

Έναντι ενός μηχανικού κιβωτίου με υδροδυναμικό μετατροπέα ροπής ένα υδροστατικό κιβώτιο

παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα της συνεχώς μεταβλητής (και όχι διαβαθμισμένης) σχέσης μετάδοσης,

της δυνατότητας λειτουργίας του κινητήρα σε επιλεγμένους συνδυασμούς στροφών – ροπής (πχ. με

χαμηλή ειδική κατανάλωση καυσίμου), της μεγαλύτερης επαύξησης της ροπής του κινητήρα κατά την

εκκίνηση του οχήματος, της ομαλής μετάβασης από πορεία πρόσω σε πορεία όπισθεν, της

χρησιμοποίησής του για την πέδηση του οχήματος και του μικρότερου βάρους. Τα βασικά

μειονεκτήματά του είναι ο χαμηλός βαθμός απόδοσης (περί το 0,8) και το για πολλά οχήματα

ανεπαρκές εύρος μεταβολής της σχέσης μετάδοσης (λόγος υψηλότερης προς χαμηλότερη σχέση

μετάδοσης μικρότερος του 15), που καθιστά αναγκαίο το συνδυασμό του με μηχανικό κιβώτιο.

Στο Σχ.4.24 απεικονίζεται η διάταξη των στοιχείων του υδροστατικού συστήματος μετάδοσης

κίνησης ενός τροχοφόρου οχήματος. Η αντλία αξονικών εμβόλων κινεί τους δύο κινητήριους τροχούς

μέσω υδραυλικών κινητήρων ακτινικών εμβόλων. Το υδροστατικό σύστημα μετάδοσης στο Σχ.4.25

χρησιμοποιεί αντλία και υδραυλικούς κινητήρες αξονικών εμβόλων και συνδυάζεται με ένα μηχανικό

κιβώτιο σταθερών αξόνων τεσσάρων ταχυτήτων για την κίνηση του εμπρόσθιου άξονα. Ο

διαφορισμός των οπίσθιων τροχών κατά τη στροφή του οχήματος ρυθμίζεται μέσω

ηλεκτροϋδραυλικού συστήματος.

40

Σχ.4.24 Υδροστατικό σύστημα μετάδοσης κίνησης τροχοφόρου οχήματος. 1: Πετρελαιοκινητήρας, 2: Μοχλός

χειρισμού, 3: Εμβολοφόρος αντλία, 4: Έμβολα αντλίας, 5: Κεκλιμένη πλάκα ρύθμισης της παροχής της

αντλίας, 6: Εμβολοφόροι υδραυλικοί κινητήρες, 7: Σωληνώσεις.

Σχ.4.25 Υδροστατικό σύστημα μετάδοσης κίνησης τροχοφόρου οχήματος σε συνδυασμό με μηχανικό κιβώτιο

ταχυτήτων. 1: Εμβολοφόρος αντλία, 2: Εμβολοφόρος υδραυλικός κινητήρας εμπρόσθιου άξονα, 3:

Εμβολοφόροι υδραυλικοί κινητήρες οπίσθιων τροχών, 4: Σωλήνωση υψηλής πίεσης, 5: Σωλήνωση

επιστροφής χαμηλής πίεσης, 6: Αντλία τροφοδότησης, 7: Σωλήνωση τροφοδότησης κύριας αντλίας, 8:

Σωληνώσεις τροφοδότησης υδραυλικών κινητήρων, 9: Μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων, 10: Διαφορικό.

41

Για τον περιορισμό των απωλειών ισχύος των υδροστατικών μεταδόσεων χρησιμοποιούνται, όπως

και με υδροδυναμικούς μετατροπείς ροπής, υδροστατικά - μηχανικά κιβώτια με διαίρεση ισχύος, στα

οποία, μέσω ενός διαφορικού μηχανισμού, η ισχύς διαμοιράζεται σε δύο παράλληλους κλάδους, ένα

μηχανικό κιβώτιο και ένα υδροστατικό (Σχ.4.26).

Σχ.4.26 Αρχή λειτουργίας υδροστατικού - μηχανικού κιβωτίου ταχυτήτων με διαίρεση ισχύος.

Κατά την εκκίνηση η ισχύς διέρχεται ολόκληρη δια του μετατροπέα, καθώς όμως επιταχύνεται το

όχημα, όλο και μεγαλύτερο ποσοστό ισχύος διέρχεται για του μηχανικού κιβωτίου, περιορίζοντας έτσι

τις απώλειες ισχύος (Σχ.4.27).

Σχ.4.27 Διαίρεση ισχύος με υδροδυναμικό μετατροπέα ροπής. Το πλανητικό σύστημα λειτουργεί και ως

διαφορικός μηχανισμός.

4.10.3 Ηλεκτρικό σύστημα μετάδοσης κίνησης

Ο κινητήρας του οχήματος κινεί μία γεννήτρια, η οποία τροφοδοτεί συνήθως ανεξάρτητους

κινητήρες κίνησης των τροχών (Σχ.4.28). Το σύστημα προσφέρει πολύ καλή προσαρμογή σε

απότομες αλλαγές της αντίστασης πρόωσης, χαρακτηρίζεται όμως από χαμηλό βαθμό απόδοσης.

42

Σχ.4.28 Κίνηση τροχού μέσω ηλεκτροκινητήρα και πλανητικής τελικής μετάδοσης. 1: Ηλεκτροκινητήρας

συνεχούς, 2: Μειωτήρας ηλεκτροκινητήρα, 3: Άτρακτος ηλεκτροκινητήρα, 4: Πλανητική τελική

μετάδοση, 5: Πέδη με πολύδισκο συμπλέκτη.

43

4.11 Σύστημα διεύθυνσης

4.11.1 Συστήματα διεύθυνσης τροχοφόρων ελκυστήρων

Στους περισσότερους τροχοφόρους ελκυστήρες, και γενικότερα τροχοφόρα οχήματα δομικών

έργων, χρησιμοποιούνται συστήματα διεύθυνσης με στροφή των εμπρόσθιων ακραξονίων, όπως στα

υπόλοιπα τροχοφόρα οχήματα, αλλά με δυνατότητα μεγαλύτερης εκτροπής των τροχών (μέχρι 550),

ώστε να επιτυγχάνεται μικρότερη ακτίνα κύκλου στροφής.

Για περαιτέρω μείωση της ακτίνας στροφής εφαρμόζεται η πέδηση του πίσω εσωτερικού τροχού,

που προϋποθέτει δυνατότητα ανεξάρτητου χειρισμού της αριστερής και της δεξιάς πέδης. Η πέδηση

του πίσω εσωτερικού τροχού δημιουργεί πρόσθετη ροπή στροφής του οχήματος, δηλ. ζεύγος

δυνάμεων που επενεργεί κάθετα στο επίπεδο κύλισης των τροχών, με συνέπεια την εγκάρσια

ολίσθηση των εμπρόσθιων (διευθυντήριων) τροχών προς το εσωτερικό του κύκλου στροφής. Με

τον τρόπο αυτό είναι δυνατόν να επιτυγχάνεται ακόμη και στροφή του οχήματος περί τον πίσω

εσωτερικό τροχό.

Συνήθως τα συστήματα διεύθυνσης διαθέτουν υδρομηχανικό, υδροστατικό ή σπανιότερα

πνευματικό σερβομηχανισμό που ενισχύει τη ροπή στροφής επί των τροχών μέσω αύξησης της

δύναμης που ασκείται επί του βραχίονα οδήγησης (ή επί της ράβδου σύζευξης).

Σε βαρύτερα συνήθως οχήματα εφαρμόζεται και η στροφή μέσω άρθρωσης. Το όχημα

διαμορφώνεται σε δύο τμήματα και ένας υδραυλικός σύνδεσμος στροφής στρέφει το ένα τμήμα ως

προς το άλλο. Η ίδια μέθοδος εφαρμόζεται και για τη στροφή δίτροχων ελκυστήρων με

ρυμουλκούμενο (Σχ.4.29).

Σχ.4.29 Στροφή τροχοφόρου οχήματος με υδραυλικό σύνδεσμο στροφής. α: Διμερές όχημα, β: Δίτροχος

ελκυστήρας και ρυμουλκούμενο.

44

4.11.2 Συστήματα διεύθυνσης ερπυστριοφόρων ελκυστήρων

Σε ελκυστήρες που κινούνται σε μαλακά εδάφη με περιορισμένη δυνατότητα ανάπτυξης δύναμης

πρόωσης εφαρμόζεται η στροφή μέσω άρθρωσης. Όπως και παρόμοια τροχοφόρα οχήματα, τέτοια

οχήματα αποτελούνται από δύο τμήματα, ένα κινητήριο και ένα ελκόμενο. Ένας υδραυλικός

σύνδεσμος στροφής στρέφει το ένα τμήμα του οχήματος ως προς το άλλο (Σχ.4.30).

Σχ.4.30 Στροφή ερπυστριοφόρου οχήματος με υδραυλικό σύνδεσμο στροφής.

Κατά τη στροφή μέσω άρθρωσης οι δυνάμεις πρόωσης των ερπυστριών δεν μεταβάλλονται

ουσιαστικά, με συνέπεια να μην προκαλείται μείωση της συνολικής δύναμης πρόωσης. Επίσης δεν

υπάρχει περιορισμός ως προς τον ελάχιστο λόγο απόστασης μεταξύ των ερπυστριών προς το μήκος

επαφής τους. Ωστόσο η ελάχιστη ακτίνα στροφής είναι σημαντικά μεγαλύτερη από ότι σε οχήματα με

σύστημα διεύθυνσης με εγκάρσια ολίσθηση, και το κόστος ενός αρθρωτού οχήματος είναι πολύ

υψηλότερο.

Ωστόσο η ευρύτερα εφαρμοζόμενη μέθοδος είναι της στροφής με εγκάρσια ολίσθηση. Μέσω

φρένων, συμπλεκτών ή διατάξεων διαφορισμού δημιουργείται διαφορά μεταξύ των δυνάμεων

πρόωσης των ερπυστριών Fo και Fi, με αποτέλεσμα τη δημιουργία επαρκούς ροπής Md (Σχ.4.31) για

την πρόκληση εγκάρσιας ολίσθησης των ερπυστριών και με αυτόν τον τρόπο στροφής του οχήματος.

Επειδή στα περισσότερα εδάφη η αναγκαία ροπή στροφής Md είναι αρκετά μεγάλη, η στροφή του

οχήματος να απαιτεί σημαντική πρόσθετη ισχύ (μέχρι και διπλάσια της ισχύος πρόωσης). Άλλο

μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι σε περίπτωση που οι συνθήκες πρόσφυσης περιορίζουν τη

δυνατότητα αύξησης της δύναμης πρόωσης της εξωτερικής ερπύστριας, η μείωση της δύναμης

πρόωσης της εσωτερικής ερπύστριας για την επίτευξη της αναγκαίας διαφοράς μεταξύ των δυνάμεων

πρόωσης των δύο ερπυστριών μπορεί να οδηγήσει σε ανεπαρκή συνολική δύναμη πρόωσης και

ακινητοποίηση του οχήματος.

45

Σχ.4.31 Στροφή ερπυστριοφόρου οχήματος με εγκάρσια ολίσθηση. Η διαφορά μεταξύ των δυνάμεων πρόωσης

των ερπυστριών Fo και Fi δημιουργεί ροπή στροφής Md.

Επίσης, επειδή η ροπή στροφής είναι ανάλογη της απόστασης b μεταξύ των ερπυστριών, για την

εξασφάλιση επαρκούς ροπής στροφής σε όλα τα είδη εδαφών – ιδιαίτερα σε αμμώδη εδάφη, όπου η

απαιτούμενη ροπή στροφής είναι μεγάλη, ενώ η δυνατότητα ανάπτυξης δύναμης πρόωσης

περιορισμένη λόγω της μικρής συνεκτικότητας –, πρέπει ο λόγος b/l της απόστασης προς το μήκος

επαφής της κάθε ερπύστριας να είναι μεγαλύτερος από περίπου 0,55.

Παρά τα μειονεκτήματά της αυτά, επειδή επιτυγχάνει μικρότερες (συχνά ακόμα και μηδενικές)

ακτίνες στροφής και είναι κατασκευαστικά απλούστερη και φθηνότερη, η μέθοδος με εγκάρσια

ολίσθηση είναι η μόνη πρακτικά υλοποιήσιμη επιλογή για τα περισσότερα οχήματα.

4.12 Συστήματα διεύθυνσης με εγκάρσια ολίσθηση

4.12.1 Δυνάμεις και ροπές κατά τη στροφή

Αν το όχημα στρέφεται με σταθερή, μικρή ταχύτητα πρόωσης και σχετικά μεγάλη ακτίνα στροφής,

οι αδρανειακές δυνάμεις (φυγόκεντρη δύναμη) είναι αμελητέες και από την ισορροπία δυνάμεων κατά

την εγκάρσια διεύθυνση προκύπτει ότι η συνισταμένη των τάσεων τριβής λόγω της εγκάρσιας

ολίσθησης των ερπυστριών είναι μηδέν. Αν η κατανομή της επιφανειακής πίεσης των ερπυστριών

είναι ομοιόμορφη και ο συντελεστής εγκάρσιας τριβής μεταξύ ερπυστριών και εδάφους μt σταθερός,

οι τάσεις αυτές έχουν το ίδιο μέγεθος καθ’ όλο το μήκος των ερπυστριών, και για να είναι η

συνισταμένη τους μηδέν πρέπει ο πόλος στροφής Ο να κείται επί του εγκάρσιου άξονα συμμετρίας

των επιφανειών επαφής των ερπυστριών, όπως φαίνεται στο Σχ.4.32. Η ροπή αντίστασης σε στροφή

λόγω εγκάρσιας τριβής με το έδαφος Μt υπολογίζεται (Σχ.4.32):

46

Σχ.4.32 Υπολογισμός της ροπής αντίστασης σε στροφή ερπυστριοφόρου οχήματος λόγω εγκάρσιας τριβής με

το έδαφος.

4444

GllGM tt

t , (4.20)

όπου μt : ο συντελεστής εγκάρσιας τριβής μεταξύ ερπυστριών και εδάφους,

G : το βάρος του οχήματος και

l : το μήκος επαφής κάθε ερπύστριας με το έδαφος.

Μετρήσεις έχουν δείξει ότι ο συντελεστής εγκάρσιας τριβής μt παρουσιάζει σημαντική μείωση με την

αύξηση της ακτίνας στροφής, ενώ εξαρτάται και από την κατασκευή της ερπύστριας. Ενδεικτικές

μέσες τιμές του συντελεστή μt σε διάφορα εδάφη είναι:

Χυτοσιδηρά πέλματα Πέλματα με επένδυση καουτσούκ

Υγρό, παγωμένο έδαφος 0,10 …. 0,20 0,15 …. 0,25

Σκυρόδεμα 0,50 …. 0,55 0,90 …. 0,92

Στεγνό, σταθερό έδαφος 0,55 …. 0,58 0,65 …. 0,68

Έδαφος καλυμμένο με βλάστηση 0,87 …. 1,10 0,67 …. 1,14

Οι παραπάνω τιμές του συντελεστή εγκάρσιας τριβής μt αφορούν τη συνολική αντίσταση σε εγκάρσια

στροφή των ερπυστριών, δηλ. προκειμένου περί υποχωρητικών εδαφών συμπεριλαμβάνουν και την

επίδραση της αύξησης του μήκους επαφής τους με το έδαφος l που προξενεί η βύθιση του οχήματος,

καθώς και την αντίσταση λόγω εγκάρσιας διάτμησης και ώθησης του υλικού του εδάφους.

Με την υπόθεση ενός σταθερού συντελεστή αντίστασης κίνησης μr για τις δύο ερπύστριες, ότι οι

αδρανειακές δυνάμεις είναι αμελητέες και ότι δεν υφίστανται άλλες αντιστάσεις στην πρόωση του

οχήματος πέραν της αντίστασης κίνησης, οι δυνάμεις πρόωσης της εξωτερικής και της εσωτερικής

ερπύστριας Fo και Fi κατά τη στροφή υπολογίζονται σύμφωνα με το Σχ.4.33, βάσει της ισορροπίας

δυνάμεων κατά τη διαμήκη διεύθυνση και της ισορροπίας ροπών περί το κέντρο βάρους του οχήματος

47

K. Όπως φαίνεται, προκύπτουν διαφορετικές τιμές των Fo και Fi αναλόγως του εάν ο πόλος στροφής

O βρίσκεται εξωτερικά των δύο ερπυστριών (οπότε και οι δύο ερπύστριες κινούνται προς την ίδια

κατεύθυνση), επί της μίας ερπύστριας (η οποία τότε περιστρέφεται μόνον χωρίς να προωθείται) ή

μεταξύ των δύο ερπυστριών (οπότε οι δύο ερπύστριες κινούνται προς αντίθετη κατεύθυνση).

GFF ri0

ti Mb

FF2)( 0

=> b

MGF tro

2 (4.21)

=> b

MGF tri

2 (4.22)

2

0

GFF ri

tr

i MbGb

FF222

)( 0

=> b

MGF tro

2 (4.23)

=> b

MF t

i (4.24)

00 iFF

tr

i MbGb

FF22

22)( 0

=> b

MGF tro

2 (4.25)

=> b

MGF tri

2 (4.26)

Σχ.4.33 Υπολογισμός των δυνάμεων πρόωσης των ερπυστριών Fo και Fi αναλόγως της σχετικής θέσης του

πόλου στροφής O (για σταθερή ροπή αντίστασης σε στροφή λόγω τριβής με το έδαφος Μt και σταθερό

συντελεστή αντίστασης κίνησης των ερπυστριών μr).

48

Από τις εξισώσεις του Σχ.4.33 είναι εμφανές ότι σε μικρές ταχύτητες του οχήματος (οπότε οι

αδρανειακές δυνάμεις είναι αμελητέες) οι δυνάμεις πρόωσης των ερπυστριών δεν εξαρτώνται από τη

θέση του πόλου στροφής O, δηλ. την ακτίνα στροφής του οχήματος. Αυτή καθορίζεται από τις

ταχύτητες πρόωσης των ερπυστριών, δηλ. από τις γωνιακές ταχύτητες των κινητήριων τροχών τους,

αν αγνοηθεί η διαφορά ολίσθησης. Ωστόσο η μεγαλύτερη ολίσθηση της εξωτερικής ερπύστριας λόγω

μεγαλύτερης δύναμης πρόωσης συνεπάγεται αυξημένη ακτίνα στροφής σε σχέση με κίνηση χωρίς

ολίσθηση. Ανομοιομορφία του συντελεστή αντίστασης κίνησης μr προξενεί μεταβολή της θέσης του

πόλου στροφής.

Σε υψηλές ταχύτητες η φυγόκεντρη δύναμη προκαλεί αφ’ ενός απόκλιση από τη συμμετρική

κατανομή των τάσεων τριβής (Σχ.4.32) με συνέπεια τη μετατόπιση του πόλου στροφής προς τα

εμπρός, αφ’ ετέρου αύξηση του βάρους επί της εξωτερικής ερπύστριας. Επειδή η μείωση της ροπής

αντίστασης σε στροφή λόγω της πρώτης επίδρασης είναι μεγαλύτερη από την αύξησή της λόγω της

δεύτερης, η ροπή αντίστασης σε στροφή μειώνεται.

Οι κινητήριες ροπές των δύο ερπυστριών είναι:

ko rFM 0 (4.27)

kii rFM , (4.28)

όπου rk η ακτίνα τύλιξης της ερπύστριας στον κινητήριο τροχό.

Αν η ακτίνα στροφής του οχήματος είναι R και η γωνιακή του ταχύτητα περί τον πόλο στροφής Ω,

με την υπόθεση αμελητέας διαφοράς ολίσθησης μεταξύ των δύο ερπυστριών, για τις ταχύτητες

πρόωσης της εξωτερικής και της εσωτερικής ερπύστριας Vo και Vi ισχύει (Σχ.4.34):

Σχ.4.34 Ταχύτητες πρόωσης των ερπυστριών και ακτίνα στροφής του οχήματος.

)2

(b

RrV koo (4.29)

49

)2

(b

RrV kii , (4.30)

όπου ωο, ωι οι γωνιακές ταχύτητες των κινητήριων τροχών της εξωτερικής και της εσωτερικής

ερπύστριας αντίστοιχα. Προκύπτει:

2

20

bR

bR

V

V

ii

o (4.31)

και η ακτίνα στροφής υπολογίζεται

2

0 bR

io

i . (4.32)

Ο διαφορισμός της δύναμης πρόωσης των ερπυστριών επιτυγχάνεται με τρεις κυρίως μεθόδους:

- με ελεγχόμενο διαφορικό,

- με αποσύμπλεξη / πέδηση της εσωτερικής ερπύστριας, και

- με ελεγχόμενες ακραίες μεταδόσεις.

4.12.2 Συστήματα διεύθυνσης με ελεγχόμενο διαφορικό

Η λειτουργία τους βασίζεται στον εξαναγκασμένο διαφορισμό της γωνιακής ταχύτητας των

κινητήριων τροχών των ερπυστριών. Η απλούστερη εκδοχή ενός τέτοιου συστήματος, που λειτουργεί

μέσω άμεσης πέδησης του εσωτερικού ημιαξονίου, παριστάνεται σχηματικά στο Σχ.4.35. Σε ευθεία

πορεία τα φρένα b δεν εφαρμόζονται και το σύστημα λειτουργεί σαν ένα κοινό διαφορικό. Για στροφή

του οχήματος φρενάρεται ο εσωτερικός τροχός μέσω του αντίστοιχου φρένου με ροπή ΜΒ. Τότε επί

του εσωτερικού ημιαξονίου εφαρμόζονται η κινητήρια ροπή Μi και η ροπή πέδησης ΜΒ, ενώ επί του

Σχ.4.35 Σχηματική παράσταση απλού συστήματος διεύθυνσης με έλεγχο του διαφορικού μέσω άμεσης

πέδησης των ημιαξονίων (b: φρένα).

50

εξωτερικού ημιαξονίου η κινητήρια ροπή Μο. Οι ροπές στα ημιαξόνια του ελεύθερου διαφορικού

είναι ίσες:

Bio MMM , (4.33)

Με αντικατάσταση των Μο, Μι βάσει των εξ.4.27 και 4.28 και κατόπιν των Fo, Fi βάσει των εξ.4.21

και 4.22 για πόλο στροφής εξωτερικά των δύο ερπυστριών, προκύπτει η αναγκαία ροπή πέδησης MB

για δεδομένη σταθερή ροπή αντίστασης σε στροφή Mt:

k

t

kiiB rb

MrFFMMM 2)( 00

(4.34)

Συνήθως η ροπή πέδησης ΜΒ κατανέμεται σε δύο φρένα, ένα στον κινητήριο τροχό και ένα στον

τροχό τάνυσης, για ελάττωση των δυνάμεων επί των δίσκων πέδησης.

Η ελάχιστη ακτίνα στροφής

2min

bR (4.35)

επιτυγχάνεται με πλήρη πέδηση του κινητήριου τροχού της εσωτερικής ερπύστριας (ωi = 0, εξ.4.32),

δηλ. στροφή του οχήματος περί το μέσον της εσωτερικής ερπύστριας. Στην περίπτωση αυτή οι

δυνάμεις πρόωσης των ερπυστριών Fo και Fi και η ροπή πέδησης ΜΒ υπολογίζονται βάσει των εξ.4.23

και 4.24 για πόλο στροφής επί της μίας ερπύστριας (οπότε στη ροπή στροφής Μt προστίθεται η ροπή

4

Gbr περί το κέντρο βάρους του οχήματος της αντίστασης κίνησης της εξωτερικής ερπύστριας).

Τότε η απώλεια ισχύος στο (ακινητοποιημένο) φρένο είναι μηδενική.

Το απλό σύστημα του Σχ.4.35 χρησιμοποιείται ελάχιστα, επειδή για δεδομένη ροπή στροφής Μt

απαιτεί σχετικά υψηλή ροπή πέδησης ΜΒ (εξ.4.34) και αντίστοιχα υψηλή απώλεια ισχύος. Το

μειονέκτημα αυτό αποφεύγεται με την εφαρμογή διαφορικών μηχανισμών Clétrac, στους οποίους η

ροπή πέδησης ΜΒ πολλαπλασιάζεται κατά τη μετάδοσή της στο εσωτερικό ημιαξόνιο μέσω ενός

μηχανισμού διαφορισμού.

Κατά τη στροφή με το μηχανισμό Clétrac του Σχ.4.36 ο εσωτερικός τροχός φρενάρεται μέσω του

αντίστοιχου φρένου b με ροπή ΜΒ. Ορίζοντας τη σχέση μετάδοσης νc ως

31

42

zz

zzc , (4.36)

όπου z1, z2, z3, z4 οι αριθμοί δοντιών πλανητών και δορυφόρων σύμφωνα με το σχήμα, προκύπτει

βάσει των κινηματικών σχέσεων και της ισότητας ροπών των ημιαξονίων του εσωτερικού (ελεύθερου)

διαφορικού:

51

Σχ.4.36 Σχηματική παράσταση συστήματος διεύθυνσης με διαφορικό μηχανισμό Clétrac (b, b1: φρένα).

B

c

i MMM1

0 , (4.37)

Bc

Bc

i

o

1

1, (4.38)

όπου ΜΒ η ροπή πέδησης στο δίσκο b και ωΒ η γωνιακή ταχύτητα του δίσκου b.

Με αντικατάσταση στην εξ.4.37 των Μο, Μι βάσει των εξ.4.8 και 4.9 και κατόπιν των Fo, Fi βάσει των

εξ.4.27 και 4.28 για πόλο στροφής εξωτερικά των δύο ερπυστριών, η ροπή πέδησης MB υπολογίζεται:

k

t

ckicicB rb

MrFFMMM 2)()( 00 (4.39)

Με τη βοήθεια της εξ.4.38 η εξ.4.32 γίνεται:

2

1 bR

Bc

(4.40)

Με πλήρη πέδηση του δίσκου b, δηλ. με ωΒ = 0, επιτυγχάνεται η ελάχιστη ακτίνα στροφής

2

1min

bR

c

, (4.41)

για τη οποία η απώλεια ισχύος στο φρένο είναι μηδενική. Η σχέση μετάδοσης νc επιλέγεται πάντοτε

μικρότερη του 1 και τέτοια ώστε να προκύπτει μία κατάλληλη για τις συνθήκες κίνησης του οχήματος

ακτίνα στροφής Rmin (>2

b) με μηδενική ισχύ πέδησης. Σε μεγαλύτερες ακτίνες στροφής η ισχύς

πέδησης είναι μειωμένη έναντι της απαιτούμενης με τον απλό μηχανισμό πέδησης των ημιαξονίων

52

κατά το συντελεστή νc (εξ.4.39). Η δυνατότητα στροφής με 2

bR εξασφαλίζεται με χρήση χωριστών

φρένων πέδησης των ημιαξονίων (b1 στο Σχ.4.36).

Με τη χρήση περισσότερων φρένων επιτυγχάνεται δυνατότητα στροφής με μηδενική απώλεια

ισχύος πέδησης σε ισάριθμα περισσότερες ακτίνες στροφής. Με το μηχανισμό του Σχ.4.37 η απώλεια

ισχύος πέδησης μηδενίζεται για 2

bR (με το φρένο b3) και δύο ακόμα ακτίνες στροφής.

Σχ.4.37 Σχηματική παράσταση συστήματος διεύθυνσης Clétrac πολλαπλών φρένων.

Σε όλους τους μηχανισμούς ελέγχου του διαφορικού μέσω φρένων τα φρένα χρησιμοποιούνται και

για την πέδηση του οχήματος.

Η χρήση φρένων για τη στροφή (και η σχετική απώλεια ισχύος) αποφεύγεται με μηχανισμούς

επιπρόσθετου διαφορισμού, με τους οποίους αντί ροπής πέδησης στο εσωτερικό ημιαξόνιο

επιβάλλονται από έναν παράλληλο κλάδο μετάδοσης ισχύος ίσες και αντίθετης φοράς ροπές στα δύο

ημιαξόνια (Σχ.4.38). Έτσι η ροπή στροφής Mt επιβάλλεται από τον πρόσθετο κλάδο χωρίς δημιουργία

απωλειών, ώστε η ισχύς πρόωσης να διατηρείται αμείωτη. Αλλαγή της φοράς στροφής επιτυγχάνεται

με αλλαγή της φοράς περιστροφής του πρόσθετου κλάδου. Σημαντικό μειονέκτημα του συστήματος

αποτελούν το κόστος και το βάρος του παράλληλου κλάδου ισχύος. Ωστόσο είναι το μοναδικό

σύστημα που παρέχει δυνατότητα ανάπτυξης αντίθετης φοράς δυνάμεων πρόωσης από τις δύο

ερπύστριες και συνεπώς στροφής περί πόλο μεταξύ των δύο ερπυστριών (R < 2

b), πχ. στροφής του

οχήματος περί το κέντρο του (R = 0).

53

Σχ.4.38 Σχηματική παράσταση συστήματος διεύθυνσης με επιπρόσθετο διαφορισμό.

4.12.3 Σύστημα διεύθυνσης με αποσύμπλεξη / πέδηση των ερπυστριών

Πρόκειται για απλό σύστημα, που λειτουργεί κατ’ αρχήν μέσω αποσύμπλεξης του κινητήριου

τροχού της εσωτερικής ερπύστριας (Σχ.4.39). Τότε η δύναμη πρόωσης της εσωτερικής ερπύστριας

μηδενίζεται (Fi = 0) και η δύναμη πρόωσης του οχήματος καταβάλλεται εξ ολοκλήρου από την

εξωτερική (Fo = μrG). Για να είναι δυνατή η στροφή, πρέπει η ροπή της δύναμης πρόωσης της

εξωτερικής ερπύστριας περί το κέντρο βάρους του οχήματος να μπορεί να υπερνικήσει τη ροπή

αντίστασης σε στροφή Mt ( to Mb

F2

ή tr MGb

2, Σχ.4.33), διαφορετικά το όχημα εξακολουθεί να

κινείται σε ευθεία. Αν αυτό δεν συμβαίνει, για περαιτέρω ενίσχυση της ροπής στροφής εφαρμόζεται

επιπροσθέτως και πέδηση της εσωτερικής ερπύστριας. Στην περίπτωση αυτή η δύναμη πρόωσης (δηλ.

πέδησης) Fi της εσωτερικής ερπύστριας προκύπτει από τη ροπή πέδησής της ΜΒ (και έχει βεβαίως

φορά αντίθετη προς την κατεύθυνση κίνησης του οχήματος):

Σχ.4.39 Σχηματική παράσταση συστήματος διεύθυνσης με αποσύμπλεξη / πέδηση των ερπυστριών (p:

συμπλέκτες, b: φρένα).

54

k

Bi

r

MF , (4.42)

όπου rk η ακτίνα τύλιξης των ερπυστριών στους κινητήριους τροχούς, επί των οποίων εφαρμόζονται

οι ροπές πέδησης. Με τη βοήθεια της εξ.4.42 η ροπή πέδησης ΜΒ για πόλο στροφής εξωτερικά των

δύο ερπυστριών υπολογίζεται βάσει της εξ.4.22:

krt

B rG

b

MM

2 (4.43)

Όπως φαίνεται από τη σύγκριση με την εξ.4.34, για δεδομένη ροπή αντίστασης σε στροφή Μt η

ροπή πέδησης της αποσυμπλεγμένης ερπύστριας είναι πολύ μικρότερη από τη ροπή πέδησης του

κινούμενου μέσω του διαφορικού ημιαξονίου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην πρώτη περίπτωση

η πέδη καταβάλλει ροπή μόνον για την ανάπτυξη της δύναμης πέδησης της εσωτερικής ερπύστριας

(εξ.4.23), ενώ στη δεύτερη περίπτωση, επειδή το διαφορικό μεταβιβάζει στο εσωτερικό ημιαξόνιο

ροπή ίση προς τη ροπή του εξωτερικού, η πέδη, εκτός από τη ροπή για την ανάπτυξη της δύναμης

πέδησης της εσωτερικής ερπύστριας, καταβάλλει και ροπή για την εξουδετέρωση της ροπής που

μεταβιβάζει το διαφορικό στο εσωτερικό ημιαξόνιο (εξ.4.34). Ωστόσο, χάρη στον πολλαπλασιασμό

της ροπής πέδησης, συστήματα με μηχανισμούς Clétrac επαρκώς μικρής σχέσης μετάδοσης νc

απαιτούν μικρότερες ροπές πέδησης από ότι συστήματα με αποσύμπλεξη / πέδηση των ερπυστριών.

Η ελάχιστη ακτίνα στροφής επιτυγχάνεται με πλήρη πέδηση της εσωτερικής ερπύστριας (Rmin =

2

b). Κύριο μειονέκτημα του συστήματος αποτελεί το μεγάλο απαιτούμενο μέγεθος των συμπλεκτών,

εξαιτίας του οποίου ένα τέτοιο σύστημα έχει μεγαλύτερο βάρος και απαιτεί περισσότερο χώρο από ότι

ένα ανάλογο με μηχανισμό Clétrac. Επίσης, σε κατηφορική πορεία με κλειστή παροχή καυσίμου, η

αποσυμπλεγμένη ερπύστρια είναι δυνατόν να κινηθεί ταχύτερα, αφού η συμπλεγμένη φρενάρεται από

την πεδητική επενέργεια του κινητήρα, με συνέπεια το όχημα να στραφεί αντίθετα από την επιθυμητή

φορά. Αυτό αποφεύγεται με άμεση πέδηση του εσωτερικού τροχού μετά την αποσύμπλεξή του. Το

σύστημα αυτό χρησιμοποιείται μόνον σε ελαφρά, χαμηλής ταχύτητας οχήματα (πχ. μικρούς

γεωργικούς ελκυστήρες).

4.12.4 Συστήματα διεύθυνσης με ελεγχόμενες ακραίες μεταδόσεις

Όπως και το σύστημα με αποσύμπλεξη / πέδηση των ερπυστριών, λειτουργούν με πέδηση της

εσωτερικής ερπύστριας. Ωστόσο η ροπή πέδησης επιβάλλεται μέσω ενός πλανητικού διαφορικού

55

μηχανισμού (ακραίας μετάδοσης), που πολλαπλασιάζει τη ροπή του φρένου κατά τη μετάδοσή της

στον κινητήριο τροχό της ερπύστριας.

Στο Σχ.4.40 παριστάνεται σχηματικά ένα τέτοιο σύστημα, στο οποίο ως ακραίες μεταδόσεις

χρησιμοποιούνται απλά πλανητικά συστήματα με είσοδο τον ήλιο και έξοδο το φορέα των πλανητών.

Κατά την ευθεία πορεία οι συμπλέκτες είναι κλειστοί και τα φρένα δεν εφαρμόζονται. Στην

κατάσταση αυτή τα πλανητικά συστήματα περιστρέφονται σαν ένα σώμα, με συνέπεια οι κινητήριοι

τροχοί να περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα με τον κινητήριο άξονα. Για στροφή, ανοίγει ο

συμπλέκτης του εσωτερικού κινητήριου τροχού και φρενάρεται η στεφάνη του.

Σχ.4.40 Σχηματική παράσταση συστήματος διεύθυνσης με ελεγχόμενες ακραίες μεταδόσεις. Η στατική σχέση

μετάδοσης του διαφορικού μηχανισμού των ακραίων μεταδόσεων είναι 1

3

0 1z

z.

Εφ’ όσον το φρένο επενεργεί σε ένα από τα μέλη του πλανητικού συστήματος, η στατική σχέση

μετάδοσης ν0 του διαφορικού μηχανισμού, ανεξάρτητα από το είδος του πλανητικού συστήματος,

είναι:

Bi

Bo

0 , (4.44)

όπου ωο : η γωνιακή ταχύτητα του κινητήριου άξονα,

ωi : η γωνιακή ταχύτητα του κινητήριου τροχού της εσωτερικής ερπύστριας και

ωΒ : η γωνιακή ταχύτητα του δίσκου πέδησης (στο σύστημα του Σχ.4.30 της στεφάνης).

Η κινητήρια ροπή της εσωτερικής ερπύστριας Μi προκύπτει σαν συνάρτηση της ροπής πέδησης ΜΒ:

Bi MM0

0

1 (4.45)

Με τη βοήθεια των εξ.4.28 και 4.22 υπολογίζεται η ροπή πέδησης ΜΒ:

56

krt

B rG

b

MM

2

1

0

0 , (4.46)

μικρότερη της αντίστοιχης ροπής πέδησης του συστήματος με αποσύμπλεξη / πέδηση των ερπυστριών

(εξ.4.43), επειδή ένας διαφορικός μηχανισμός ακραίας μετάδοσης έχει πάντα θετική στατική σχέση

μετάδοσης ν0.

Η ακτίνα στροφής υπολογίζεται από την εξ.4.32 με τη βοήθεια της εξ.4.44:

2))(1(

)1()1(

0

00 bR

Bo

Bo (4.47)

Με πλήρη πέδηση του δίσκου πέδησης, δηλ. με ωΒ = 0, επιτυγχάνεται η ελάχιστη ακτίνα στροφής

21

1

0

0

min

bR , (4.48)

με μηδενική απώλεια ισχύος πέδησης. Η δυνατότητα στροφής με 2

bR , αν απαιτείται,

εξασφαλίζεται με χρήση χωριστών φρένων πέδησης των κινητήριων τροχών.

Με τη χρήση σύνθετων πλανητικών συστημάτων με δυνατότητα επιλογής μεταξύ περισσότερων

στατικών σχέσεων μετάδοσης επιτυγχάνεται στροφή με μηδενική απώλεια ισχύος πέδησης σε

αντίστοιχες ακτίνες στροφής. Στο σύστημα διεύθυνσης του Σχ.4.41, για κάθε ερπύστρια:

Σχ.4.41 Σχηματική παράσταση συστήματος διεύθυνσης με ελεγχόμενες ακραίες μεταδόσεις δύο πλανητικών

συστημάτων εν σειρά και φρένα των κινητήριων τροχών.

- με ελεύθερα και τα τρία φρένα b1, b2 και b3 η ερπύστρια είναι αποσυμπλεγμένη,

- με πλήρη πέδηση του φρένου b3 και ελεύθερα τα b2 και b1 λειτουργεί η μείωση και των δύο

πλανητικών συστημάτων (μεγαλύτερη συνολική μείωση),

- με πλήρη πέδηση του φρένου b2 και ελεύθερα τα b1 και b3 λειτουργεί η μείωση μόνον του

εξωτερικού πλανητικού συστήματος (μικρότερη συνολική μείωση), ενώ

57

- με πλήρη πέδηση του φρένου b1 και ελεύθερα τα b3 και b2 η ερπύστρια ακινητοποιείται και το

όχημα εκτελεί στροφή με ακτίνα 2

bR (εφ’ όσον πεδείται πλήρως το φρένο b2 ή b3 της άλλης

ερπύστριας).

Στο συγκεκριμένο σύστημα, εκτός από την ακτίνα στροφής2

bR , η απώλεια ισχύος πέδησης

μηδενίζεται για μία ακόμα ακτίνα στροφής, που επιτυγχάνεται με πλήρη πέδηση του φρένου b3 της

εσωτερικής και του φρένου b2 της εξωτερικής ερπύστριας. Με πλήρη πέδηση και των δύο φρένων b2

ή και των δύο φρένων b3 το όχημα εκτελεί ευθεία πορεία (με διαφορετική κάθε φορά σχέση ακραίας

μετάδοσης).

Μειονέκτημα των συστημάτων με ελεγχόμενες ακραίες μεταδόσεις είναι κάποια αστάθεια πορείας

και η μεγάλη φθορά των φρένων κατά τη μερική πέδηση σε υψηλές ταχύτητες, που τα καθιστά

ακατάλληλα για ταχέως κινούμενα οχήματα. Αυτό ωστόσο αντιμετωπίζεται με τη χρήση βοηθητικών

διατάξεων σταθεροποίησης των φρένων, ενώ ο συνδυασμός του συστήματος με ένα διαφορικό

περιορίζει τις απώλειες πέδησης, μεταφέροντας ένα μέρος της ισχύος της επιβραδυνόμενης

εσωτερικής ερπύστριας στην εξωτερική. Γενικότερα, σε βαριά και σχετικά γρήγορα οχήματα, η

μεταφορά κατά την πέδηση της υπερβάλλουσας ισχύος της εσωτερικής ερπύστριας στην εξωτερική

μέσω ειδικών διατάξεων «ανάκτησης ισχύος» συντελεί σε σημαντική εξοικονόμηση ισχύος.

Συνήθως τόσο το ελεγχόμενο διαφορικό, όσο και τα πλανητικά συστήματα των δύο τροχών,

κατασκευάζονται ως ένα συμπαγές ενιαίο συγκρότημα, το κιβώτιο στροφής.

4.12.5 Συστήματα διεύθυνσης με ενδιάμεσους μειωτήρες

Σε ορισμένα οχήματα το σύστημα αποσύμπλεξης / πέδησης των ερπυστριών συμπληρώνεται με

ενδιάμεσους μειωτήρες (Σχ.4.42), που λειτουργούν ως ελεγχόμενες ακραίες μεταδόσεις. Με

διαφορετικούς συνδυασμούς των σχέσεων μετάδοσης των μειωτήρων επιτυγχάνονται αντίστοιχες

Σχ.4.42 Σχηματική παράσταση συστήματος διεύθυνσης με ενδιάμεσους μειωτήρες (p: συμπλέκτες, b: φρένα, w

ενδιάμεσοι μειωτήρες).

58

ακτίνες στροφής με μηδενική απώλεια ισχύος. Στροφή με 2

bR επιτυγχάνεται όπως σε ένα απλό

σύστημα με αποσύμπλεξη / πέδηση των ερπυστριών, με σύγχρονη αποσύμπλεξη και πλήρη πέδηση

της εσωτερικής ερπύστριας. Ωστόσο δεν αποφεύγονται οι ογκώδεις συμπλέκτες.

Στα οχήματα με υδροστατική μετάδοση κίνησης εφαρμόζονται συστήματα διεύθυνσης με

υδροστατικούς ενδιάμεσους μειωτήρες, χωρίς φρένα και συμπλέκτες. Επειδή οι υδροστατικοί

μειωτήρες είναι συνεχούς σχέσης μετάδοσης, είναι δυνατή η επίτευξη οποιασδήποτε σχέσης

γωνιακών ταχυτήτων των δύο κινητήριων τροχών, και συνεπώς οποιασδήποτε ακτίνας στροφής

(εξ.4.31), μέσω κατάλληλης ρύθμισης των σχέσεων μετάδοσης των δύο μειωτήρων, χωρίς χρήση

φρένων και συμπλεκτών. Έτσι δεν υπάρχουν απώλειες πέδησης κατά τη στροφή, ενώ με αναστροφή

της φοράς περιστροφής του κινητήριου τροχού της εσωτερικής ερπύστριας επιτυγχάνεται στροφή του

οχήματος περί πόλο μεταξύ των ερπυστριών (R < 2

b), πχ. στροφής του οχήματος περί το κέντρο του

(R = 0).

59

5. Προωθητές γαιών

Πρόκειται για ελκυστήρες με μία λεπίδα προώθησης υλικού εδάφους στο εμπρόσθιο μέρος τους.

Χρησιμοποιούνται για την εκσκαφή εδάφους σε πάχος 10 έως 80 cm και τη μεταφορά του υλικού

εκσκαφής μετωπικά ή με μικρή κλίση ως προς τον διαμήκη άξονά τους σε μικρές αποστάσεις, μέχρι

60 m με ερπυστριοφόρους και μέχρι 100 m με τροχοφόρους προωθητές. Είναι δυνατόν να

εξοπλίζονται και με πρόσθετες ειδικές διατάξεις για την ανύψωση, φόρτωση ή απόθεση υλικών, την

εκρίζωση δένδρων και τη διάσπαση σκληρών εδαφών. Σε ανώμαλα εδάφη προτιμούνται οι

ερπυστριοφόροι προωθητές, επειδή οι τροχοφόροι, λόγω της ταλάντευσής τους, δεν μπορούν να

επιτύχουν ικανοποιητική εξομάλυνση των ανωμαλιών του εδάφους. Σε μεγάλους ερπυστριοφόρους

προωθητές προτιμάται συχνά η τοποθέτηση των κινητήριων τροχών σε ψηλότερη θέση, ώστε το βάρος

του αναρτημένου τμήματος της ερπύστριας μεταξύ του κινητήριου τροχού και του τροχού τάνυσης να

συμβάλλει στην τάση τάνυσης της ερπύστριας, με συνέπεια μικρότερη μείωση της τάσης τάνυσης

όταν μία απότομη αύξηση της αντίστασης πρόωσης ωθεί τον τροχό τάνυσης προς τα πίσω (Σχ.5.1).

Ωστόσο σε ερπύστριες μεγάλου μήκους είναι αναγκαία η τοποθέτηση ενός τροχού στήριξης.

Σχ.5.1 Τοποθέτηση του κινητήριου τροχού υψηλότερα σε ερπυστριοφόρο προωθητή γαιών.

Η λεπίδα των προωθητών κατασκευάζεται από χαλύβδινο έλασμα μεγάλου πάχους με ισχυρές

ενισχύσεις στην οπίσθια πλευρά της. Η κατακόρυφη τομή της λεπίδας στην εμπρόσθια πλευρά της έχει

τη μορφή εξελιγμένης, για ευχερέστερη ώθηση του υλικού προς το επάνω μέρος της από το νέο υλικό

που εκσκάπτεται. Η εκσκαφή πραγματοποιείται με την κοπτική ακμή, που είναι χωριστό κομμάτι

κατασκευασμένο από σκληρυμένο χάλυβα υψηλής αντοχής σε φθορά, που στερεώνεται με κοχλίες στο

σώμα της λεπίδας, ώστε να είναι δυνατή η αντικατάστασή του. Στα πλευρά της λεπίδας στερεώνονται

60

τα ακρολέπιδα (Σχ.5.2). Σε μεγάλης ισχύος προωθητές το πλάτος της λεπίδας μπορεί να ξεπερνά τα 4,5

m και το ύψος της τα 1,7 m, το δε βάρος της να ξεπερνά τους 6 tn. Η διαμόρφωση της λεπίδας

εξαρτάται από το αν χρησιμοποιείται για μετωπική προώθηση του υλικού, δηλ. παράλληλα προς τον

διαμήκη άξονα του οχήματος (μετωπική λεπίδα), ή για την προώθησή του υπό γωνία ως προς τον

διαμήκη άξονα του οχήματος (γωνιούμενη λεπίδα), ενώ υπάρχουν και λεπίδες γενικής χρήσης (Σχ5.2).

Μία μετωπική λεπίδα έχει μικρότερο πλάτος και μεγαλύτερο ύψος από μία γωνιούμενη λεπίδα, ώστε

να ασκεί μεγαλύτερη δύναμη ώθησης. Για την αποφυγή ασύμμετρης φόρτισης, οι γωνιούμενες λεπίδες

δεν έχουν ακρολέπιδα. Η κατακόρυφη κλίση μίας λεπίδας ρυθμίζεται με τη βοήθεια υδραυλικού

μηχανισμού, όπως και η κλίση μίας γωνιούμενης λεπίδας ως προς τον διαμήκη άξονα του οχήματος.

Σχ.5.2 Τύποι λεπίδων προωθητών γαιών.

Η πλευρική προώθηση εφαρμόζεται σε εργασίες που απαιτούν πλευρική προσβολή, όπως η

κατασκευή δρόμων σε επικλινές έδαφος ή η επιχωμάτωση τάφρων. Απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή για την

αποφυγή ασύμμετρης φόρτωσης της λεπίδας, που μπορεί να προκαλέσει θραύση των πλευρικών

βραχιόνων ώθησής της, ενώ πρέπει να αποφεύγεται η συχνή αλλαγή της γωνίας προσβολής, για την

οποία είναι αναγκαία η διακοπή της εργασίας.

61

6. Εκσκαφείς

Οι εκσκαφείς σκάβουν το έδαφος, παραλαμβάνουν το προϊόν της εκσκαφής και το αδειάζουν σε

μεταφορικά μέσα ή σωρούς. Απόδοση ενός εκσκαφέα είναι ο όγκος υλικού που εκσκάπτει και

απομακρύνει από το χώρο εκσκαφής ανά μονάδα χρόνου (m3/h). Κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες:

- Εκσκαφείς γενικής χρήσης με περιοδική λειτουργία, οι οποίοι αφού σκάψουν και παραλάβουν το

προϊόν της εκσκαφής, το μεταφέρουν, το αδειάζουν και επανέρχονται στο χώρο εκσκαφής για να

επαναλάβουν τον ίδιο κύκλο.

- Εκσκαφείς συνεχούς λειτουργίας, οι οποίοι δεν μετακινούνται, αλλά αδειάζουν το προϊόν της

εκσκαφής σε ένα κεκλιμένο επίπεδο ή μία μεταφορική ταινία.

- Ειδικοί εκσκαφείς, οι οποίοι είναι παρόμοιοι με τους εκσκαφείς γενικής χρήσης με περιοδική

λειτουργία, αλλά πολύ μεγάλου μεγέθους και απόδοσης και δεν παράγονται εν σειρά, αλλά

κατασκευάζονται σύμφωνα με προδιαγραφές του χρήστη.

Περισσότερο διαδεδομένοι είναι οι εκσκαφείς γενικής χρήσης, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρύτατα

στα δομικά έργα. Ένας εκσκαφέας γενικής χρήσης μπορεί να είναι τροχοφόρος ή ερπυστριοφόρος και

απαρτίζεται από δύο βασικά τμήματα (Σχ.6.1):

- το φορείο με το σύστημα πρόωσης (τροχούς ή ερπύστριες) και

- το σκάφος, που φέρει τον κινητήρα, το σύστημα εκσκαφής και την καμπίνα του χειριστή και που

εδράζεται επί του φορείου, ως προς το οποίο δύναται να περιστρέφεται.

6.1 Σύστημα κίνησης

Η έδραση και η περιστροφή του σκάφους επί του φορείου γίνονται με τη βοήθεια ενός αξονικού

εδράνου κύλισης. Μία στεφάνη που φέρει το σκάφος κυλίεται επί μίας στεφάνης επί του φορείου

μέσω κυλινδρικών ή κωνικών σωμάτων κύλισης (ράουλα, Σχ.6.2). Η στεφάνη του φορείου φέρει

εξωτερική ή εσωτερική μετωπική οδόντωση που εμπλέκεται με έναν οδοντωτό τροχό επί του

σκάφους, κινούμενο από έναν ηλεκτρικό ή σπανιότερα υδραυλικό κινητήρα. Η περιστροφή του

οδοντωτού τροχού εξαναγκάζει τη στεφάνη του σκάφους σε περιστροφή ως προς το φορείο. Για την

ασφαλέστερη μεταβίβαση πλευρικών ροπών από το σκάφος στο φορείο και την αποφυγή ανατροπής

του σκάφους μπορεί τα ράουλα να κυλίονται μεταξύ μίας ανώτερης και μίας κατώτερης επιφάνειας

της αντίστοιχα διαμορφωμένης στεφάνης του φορείου ή να χρησιμοποιείται και δεύτερη σειρά

κυλιόμενων σωμάτων, που κυλίονται σε κατώτερη επιφάνεια της στεφάνης του φορείου (Σχ.6.2).

Συχνά αντί των κυλινδρικών ή κωνικών σωμάτων κύλισης προτιμώνται σφαιρικά, που παρουσιάζουν

62

Σχ.6.1 Τροχοφόρος και ερπυστριοφόρος εκσκαφείς.

Σχ.6.2 Έδρανο περιστροφής σκάφους εκσκαφέα με κυλινδρικά και κωνικά ράουλα. Η κύλιση ράουλων επί δύο

αντίθετων επιφανειών της στεφάνης του φορείου προσφέρει ασφάλεια έναντι ανατροπής.

63

πολύ μικρότερη αντίσταση κύλισης. Και στην περίπτωση αυτή η χρήση δεύτερης σειράς σφαιρών που

κυλίονται σε κατώτερη επιφάνεια της στεφάνης του φορείου προσφέρει ασφάλεια έναντι ανατροπής

του σκάφους (Σχ.6.3).

Σχ.6.3 Έδρανα στήριξης και περιστροφής σκάφους εκσκαφέα με μονή και διπλή σειρά σφαιρικών σωμάτων

κύλισης.

Μέσω ενός μηχανισμού μετάδοσης κίνησης η κίνηση μεταδίδεται από τον κινητήρα σε έναν

κατακόρυφο άξονα, από τον οποίον μπορεί να μεταδίδεται μέσω συμπλεκτών εναλλακτικά είτε στον

οδοντωτό τροχό περιστροφής του σκάφους είτε στο σύστημα πρόωσης του οχήματος. Έτσι η

περιστροφή του σκάφος είναι δυνατή μόνον όταν το όχημα δεν κινείται. Στο παράδειγμα του Σχ.6.4,

όπως φαίνεται στην κάτοψη αριστερά, η κίνηση μεταφέρεται από τον κινητήρα (1) μέσω μίας

αλυσίδας (2) και οδοντωτών τροχών (3) στον οριζόντιο άξονα (4). Οι κωνικοί οδοντωτοί τροχοί (6)

και (8) εδράζονται με έδρανα ολίσθησης επί του άξονα (4) και μπορούν να συνδέονται σταθερά με

αυτόν μέσω των συμπλεκτών (5) και (5΄) αντίστοιχα. Οι δύο κωνικοί οδοντωτοί τροχοί (6) και (8)

εμπλέκονται μόνιμα με τον οριζόντιο κωνικό οδοντωτό τροχό (7) σε αντιδιαμετρικά σημεία του, όπως

φαίνεται τόσο στην κάτοψη αριστερά, όσο και στην κατακόρυφη εγκάρσια τομή δεξιά. Η επιλογή

εμπλοκής του συμπλέκτη (5) ή του συμπλέκτη (5΄) για τη μετάδοση της κίνησης από τον άξονα (4)

στον οδοντωτό τροχό (7) μέσω του οδοντωτού τροχού (6) ή (8) αντίστοιχα καθορίζει τη φορά

περιστροφής του οδοντωτού τροχού (7), και συνεπώς την κίνηση του οχήματος πρόσω ή όπισθεν ή την

περιστροφή του σκάφους αριστερόστροφα ή δεξιόστροφα. Ο οδοντωτός τροχός (7) είναι σταθερά

συνδεδεμένος με τον κατακόρυφο άξονα (9), που μέσω οδοντώσεων περιστρέφει τους οριζόντιους

οδοντωτούς τροχούς (11) και (11΄). Με την εμπλοκή του συμπλέκτη (10) η κίνηση μεταδίδεται από

τον οδοντωτό τροχό (11) στον οδοντωτό τροχό περιστροφής του σκάφους (12), ενώ με την εμπλοκή

του συμπλέκτη (10΄) η κίνηση μεταδίδεται από τον οδοντωτό τροχό (11΄) στο σύστημα πρόωσης του

οχήματος.

Για την εμπλοκή του συμπλέκτη (10) μετατοπίζεται ο δακτύλιος (10) κατά μήκος του πολύσφηνου

επί του κατακόρυφου άξονά του, ώστε η εξωτερική οδόντωσή του να εμπλακεί με την εσωτερική

οδόντωση του τροχού (11), όπως φαίνεται στο Σχ.6.6. Η εμπλοκή των οδοντώσεων δεν παρουσιάζει

64

Σχ.6.4 Σύστημα μετάδοσης κίνησης εκσκαφέα.

προβλήματα, αφού γίνεται με το δακτύλιο (10) και τον τροχό (11) σε στάση. Η κίνηση μεταδίδεται

από τον οδοντωτό τροχό (11) στον οδοντωτό τροχό (12), εξαναγκάζοντάς τον σε κύλιση επί της

οδόντωσης (13) της στεφάνης του φορείου, με συνέπεια την περιστροφή του σκάφους ως προς το

φορείο.

Παρόμοια είναι και η λειτουργία του συμπλέκτη (10΄), που απεικονίζεται στο Σχ.6.6. Η εμπλοκή

του γίνεται με τη μετατόπιση του δακτυλίου (10΄) κατά μήκος του άξονα (14) του πινιόν (15), επί του

οποίου εδράζεται, ώστε η μετωπική του οδόντωση να εμπλακεί με την αντίστοιχη μετωπική οδόντωση

του τροχού (11΄). Η κίνηση τότε μεταδίδεται από τον τροχό (11΄) στον κατακόρυφο άξονα (14) και

μέσω του ζεύγους πινιόν (15) – κορώνας (16) στον κινητήριο άξονα των ερπυστριών (17), από τον

οποίο, όπως φαίνεται στο Σχ.6.4, μεταφέρεται μέσω αλυσίδων (21) στους κινητήριους τροχούς των

ερπυστριών (22),. Η διεύθυνση του οχήματος γίνεται με τη βοήθεια των συμπλεκτών (18 – 19), που

μπορούν να διακόπτουν τη μετάδοση της κίνησης προς τους κινητήριους τροχούς.

65

Σχ.6.5 Συμπλέκτης μετάδοσης κίνησης στον οδοντωτό τροχό περιστροφής του σκάφους (12).

Σχ.6.6 Συμπλέκτης μετάδοσης κίνησης στο σύστημα πρόωσης του σκάφους.

66

6.2 Σύστημα εκσκαφής

Διάφοροι τύποι εργαλείων που χρησιμοποιούν οι εκσκαφείς φαίνονται στο Σχ.6.7. Για τη σύνδεσή

τους με το σύστημα εκσκαφής χρησιμοποιείται συχνά ένα ενδιάμεσο συνδετικό στοιχείο που

επιτρέπει τη γρήγορη εναλλαγή διαφορετικών εργαλείων.

Σχ.6.7 Τύποι εργαλείων εκσκαφής.

Τα ευρύτερα χρησιμοποιούμενα εργαλεία, που μπορούν να εκτελούν και τις τρεις εργασίες της

εκσκαφής, μεταφοράς και αδειάσματος του προϊόντος της εκσκαφής, είναι το μετωπικό πτύο, το

ανεστραμμένο πτύο, το συρόμενο πτύο (ή κάδος) και η αρπάγη.

Στο Σχ.6.8 φαίνονται διάφοροι τύποι πτύων, κατάλληλοι για διαφορετικά είδη εδάφους και

συνθήκες εκσκαφής. Τα περισσότερα πτύα είναι εφοδιασμένα με δόντια που στερεώνονται στο πτύο

Σχ.6.8 Τύποι πτύων.

67

με πίρους ή σφήνες. Πολύ συχνά οι αιχμές των δοντιών, που υφίστανται τη μεγαλύτερη καταπόνηση,

είναι χωριστά κομμάτια, ώστε να είναι δυνατή η κατασκευή τους από σκληρυμμένο χάλυβα και η

αντικατάστασή τους όταν φθαρούν (Σχ.6.9)

Το μετωπικό πτύο είναι κατάλληλο κυρίως για εκσκαφή υψηλότερα από το επίπεδο έδρασης του

εκσκαφέα. Στο Σχ.6.9 παριστάνεται ένας εκσκαφέας με μετωπικό πτύο και οι διαστάσεις της περιοχής

εργασίας του πτύου του. Σημαντική λειτουργική παράμετρο αποτελεί το μέγιστο ύψος από το οποίο

μπορεί να αδειάσει το πτύο του (D στο σχήμα). Το πτύο είναι συνδεδεμένο μέσω ενός συστήματος

αρθρώσεων με το βυθιστή, μία ράβδο που εδράζεται με άρθρωση επί της κεραίας και που μπορεί να

ωθείται προς το έδαφος μέσω ενός υδραυλικού κυλίνδρου και ενός συστήματος οδοντωτού τροχού –

οδοντωτού κανόνα. Κατά την εκσκαφή το πτύο, του οποίου η κλίση ως προς το βυθιστή μπορεί να

μεταβάλλεται, φέρεται αρχικά σε επαφή με έδαφος με τρόπο που τα δόντια του να είναι περίπου

κάθετα προς την επιφάνειά του και πιέζεται εντός του εδάφους μέχρι το επιθυμητό βάθος από το

βυθιστή. Στη συνέχεια, με κατάλληλα συνδυασμένες κινήσεις της κεραίας και του βυθιστή, αρχικά

προωθείται οριζόντια ώστε να ισοπεδώσει τη βάση του πρανούς, και κατόπιν, με συνδυασμό

κατακόρυφης και οριζόντιας κίνησης εκσκάπτει το πρανές. Το άδειασμα του πτύου επιτυγχάνεται με

κατάλληλη κλίση του με τη βοήθεια βραχίονα ή συνηθέστερα με το άνοιγμα χωριστού κλινόμενου

πυθμένα.

Σχ.6.9 Σύστημα εκσκαφής και διαστάσεις περιοχής εργασίας εκσκαφέα με μετωπικό πτύο.

Το ανεστραμμένο πτύο είναι κατάλληλο για εκσκαφή χαμηλότερα από το επίπεδο έδρασης του

εκσκαφέα (Σχ.6.10). Αντίθετα με το μετωπικό πτύο, το οποίο ωθείται αντίθετα προς τον εκσκαφέα, το

ανεστραμμένο πτύο έλκεται προς τον εκσκαφέα, ενώ δεν χρησιμοποιείται βυθιστής, αλλά η βύθιση

των δοντιών και η κίνηση του πτύου επιτυγχάνονται με συνδυασμένες κινήσεις της κεραίας και της

δοκού ανάρτηση του πτύου. Για άδειασμα το πτύο ανατρέπεται μέσω του βραχίονα κλίσης.

68

Σχ.6.10 Σύστημα εκσκαφής και διαστάσεις περιοχής εργασίας εκσκαφέα με ανεστραμμένο πτύο.

Το συρόμενο πτύο χρησιμοποιείται επίσης για εκσκαφή χαμηλότερα από το επίπεδο έδρασης του

εκσκαφέα (Σχ.6.11). Επειδή σύρεται επί του εδάφους καθώς έλκεται προς τον εκσκαφέα, η δύναμη

κοπής που μπορεί να ασκήσει επί του εδάφους είναι μικρότερη από ότι το ανεστραμμένο πτύο, και για

το λόγο αυτό είναι κατάλληλο μόνον για μαλακά εδάφη.

Σχ.6.11 Σύστημα εκσκαφής και διαστάσεις περιοχής εργασίας εκσκαφέα με συρόμενο πτύο.

Η αρπάγη (αχιβάδα) αποτελείται από δύο μέρη που μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν (Σχ.6.12)

μέσω υδραυλικού χειρισμού ή συρματόσχοινων. Καθώς τα δύο μέρη κλείνουν αποκόπτουν έδαφος, το

οποίο συγκρατείται στο χώρο που σχηματίζουν μεταξύ τους, και απορρίπτεται όταν ανοίγουν. Η

επιφάνεια εκσκαφής μπορεί να βρίσκεται υψηλότερα ή χαμηλότερα από το επίπεδο έδρασης του

69

εκσκαφέα. Η κατακόρυφη μετατόπιση της αρπάγης επιτρέπει πρόσβαση σε στενούς χώρους (πχ.

τάφρους) όπου δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άλλο εργαλείο. Είναι επίσης κατάλληλη για υποβρύχιες

εκσκαφές και γενικότερα εκσκαφές σε μεγάλο βάθος.

Σχ.6.12 Αρπάγη και διαστάσεις περιοχής εργασίας εκσκαφέα με αρπάγη.