Postanowiono, że zostaną wykonane badania naukowe dla identyfikacji przyczyn uszkodzeń kół pasowych, a następnie tak zostaną te koła zmodyfikowane, aby uzyskać wysoką ich trwałość, także w pojazdach z silnikami spalinowymi wspomaganymi małymi maszynami elektrycznymi (mild hybrid) oraz aby obniżyć zużycie materiałów.

Motywacją do dwuletnich prac było to, że wykonane z metalu i z tworzyw sztucznych koła pasowe do samochodów (Fot.1) dostępne na rynku mają nadal pewne wady i ograniczenia.

Mechanicy montujący takie koła wiedzą o problemach takich jak: termiczna utrata tolerancji osadzenia łożyska, pęknięcia żeber czy wyłamania żeber.

W samochodach stosowane są najczęściej koła pasowe tworzywowe, które nie ulegają korozji, są tańsze i znacznie lżejsze, co jest ważne dla bezwładności układu pasków napędowych. Niestety takie koła gorzej odprowadzają ciepło powstające w wyniku pracy łożyska, co powoduje, że częściej trzeba dokonywać wymiany koła. Tam gdzie występują duże siły napinające stosuje się koła pasowe metalowe, które bardzo dobrze odprowadzają ciepło z łożyska, co wpływa na znacznie dłuższą żywotność. Niestety takie koła są znacznie droższe i cięższe oraz podatne na korozję, co powoduje, że trzeba je w czasie produkcji dodatkowo zabezpieczać – najczęściej poprzez uciążliwe dla środowiska galwanizowanie. Dla długotrwałej poprawnej pracy kół konieczne jest odpowiednie, ustalone przez producenta, naprężenie paska (pasków).

Samochody od wielu lat mają w komorach silnikowych coraz mniej miejsca, a ich silniki spalinowe są bardzo często ciasno obudowane osprzętem, co pogarsza warunki pracy tego osprzętu (temperatura, trudny i niewygodny serwis) zwłaszcza podczas jazdy w mieście, kiedy bardzo słabe jest chłodzenie komory silnikowej.

Pomysł na opracowanie innowacyjnych kół pasowych uzyskał uznanie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju czego rezultatem było podpisanie umowy o dofinansowanie Projektu w Ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój Nr. Umowy POIR.01.01.01-00-0582/18.
Prace rozpoczęto od badań rozkładu temperatur w komorach silnikowych wielu samochodów osobowych w ruchu rzeczywistym oraz zaprojektowano i zbudowano unikalne na skalę świata stanowisko do badań laboratoryjnych cieplnych mechanicznych kół pasowych (Fot. 3).

Wykonano badania (Fot. 4 i 5) własności mechanicznych próbek wykonanych z materiałów oraz opracowano blisko trzydzieści modeli matematycznych kół pasowych o różnym ukształtowaniu piór podpierających bieżnię pasa. Warianty wykazujące gorsze wyniki z symulacji matematycznych zachowania się kół przy różnych temperaturach i obciążeniach były odrzucane, a uzyskane wyniki i wnioski wykorzystano do zaprojektowania innowacyjnych kół pasowych. Wykonano także w kilkudziesięciu pojazdach rzeczywistych ocenę sił z jakimi mechanicy dokręcają koła pasowe po ich wymianie. Ostatecznie do fazy budowy prototypów kół przekazane zostały koła wykonane z tworzywa sztucznego i, nowość na skalę świata, koła w wersji hybrydowej – z wewnętrznego szkieletu metalowego otoczonego tworzywem sztucznym (Fot. 6).

Takie rolki mają znacznie obniżoną masę względem rolek w pełni stalowych i większą wytrzymałość niż rolki w pełni tworzywowe. Wytworzone zostały nowatorskie formy wtryskowe i wykonano 140 prototypów rolek. Następnie takie rolki prototypowe były badane przez wiele miesięcy w ruchu drogowym w warunkach rzeczywistych (łącznie 70 tys. przejechanych kilometrów w różnych warunkach) oraz równolegle w stanowisku badawczym, gdzie 98 prototypów rolek pracowało w temperaturach od -38°C do +150°C, były oblewane mgłą soli czy wody. Napięcie pasa jakie było ustalane w próbach trwałości dochodziło do pięciokrotności napięcia pasa znamionowego. Najdłuższa seria pomiarowa trwała blisko 3 miesiące ciągłej pracy rolek, a utrzymywana prędkość wirowania to aż 8 tys. obrotów na minutę. Napięcie pasa na rolkach było nie mniejsze niż dwukrotność napięcia zalecanego w samochodzie. Warunki takie odpowiadały przebiegowi rzeczywistego samochodu ponad 150 tys. km. Ostatecznie udało się wykazać, że nowatorskie rolki:

• wykazują trwałość przekraczającą 150 tys. km przy znamionowym naciągu pasa,
• dla rolki z tworzywa sztucznego redukcja masy tworzywa sztucznego wyniosła 11,7%, a w przypadku rolki hybrydowej redukcja masy metalu to aż 93,7% (odnosząc jej masę do tradycyjnej rolki stalowej),
• po zakończeniu prób drogowych na dystansie 70 tys. km koła zostały zdemontowane z rzeczywistych samochodów i zmierzono ich wymiary. Żadne z kół nie wykazało przekroczenia tolerancji 0,2 mm.

Wyniki prac badawczo rozwojowych uzyskały trzy patenty oraz były na tyle interesujące i nowatorskie, że zostały wielokrotnie nagrodzone (Fot. 7):

• Platynowym medalem Międzynarodowego Konkursu Wynalazczości PRIX EIFFEL Paryż 2022
• Wygraną całych targów, czyli GRAND PRIX międzynarodowych targów wynalazczości PRIX EIFFEL Paryż
• Srebrnym medalem XII międzynarodowych targów wynalazczości INTARG 2020,
• I miejscem w kategorii PATENT na XIII edycji Konkursu „Świętokrzyski Racjonalizator”
• Nagrodą w kategorii: Innowacyjność na Gospodarczym Forum Wizja Rozwoju w 2022

Artykuł sponsorowany przez CAFFARO