W ramach realizowanego projektu badawczo-rozwojowego zdecydowano się przeprowadzić szczegółowe analizy mające na celu ustalenie rzeczywistych przyczyn uszkodzeń kół pasowych stosowanych w układach napędu osprzętu silnika. Na podstawie wyników badań zaplanowano ich modyfikację tak, aby zwiększyć trwałość tych elementów – również w pojazdach wyposażonych w silniki spalinowe wspomagane niewielkimi jednostkami elektrycznymi w technologii mild hybrid. Jednym z kluczowych założeń projektu było także ograniczenie zużycia materiałów wykorzystywanych do produkcji.

Impulsem do rozpoczęcia dwuletnich prac była obserwacja, że dostępne na rynku koła pasowe – zarówno metalowe, jak i wykonane z tworzyw sztucznych – wciąż mają pewne ograniczenia konstrukcyjne i eksploatacyjne (Fot. 1).

Mechanicy zajmujący się montażem i serwisowaniem takich elementów dobrze znają typowe problemy pojawiające się w trakcie eksploatacji. Należą do nich m.in. utrata tolerancji osadzenia łożyska w wyniku działania wysokiej temperatury, pęknięcia żeber czy ich całkowite wyłamania.

W większości współczesnych samochodów stosuje się koła pasowe wykonane z tworzyw sztucznych. Ich zaletą jest odporność na korozję, niższy koszt produkcji oraz znacznie mniejsza masa, co ma duże znaczenie dla bezwładności układu pasków napędowych. Niestety elementy tego typu gorzej odprowadzają ciepło powstające podczas pracy łożyska, co może przyczyniać się do szybszego zużycia i częstszej konieczności wymiany.

Z kolei w miejscach, gdzie występują większe siły napinające, stosuje się koła metalowe. Ich największą zaletą jest bardzo dobre odprowadzanie ciepła z łożyska, co przekłada się na wyraźnie dłuższą żywotność całego elementu. Wadą pozostaje jednak większa masa, wyższy koszt produkcji oraz podatność na korozję. Z tego powodu podczas produkcji wymagają dodatkowego zabezpieczenia – najczęściej w postaci galwanizowania, które jest procesem bardziej obciążającym dla środowiska. Niezależnie od zastosowanego materiału, dla prawidłowej i długotrwałej pracy układu kluczowe jest utrzymanie odpowiedniego napięcia paska, zgodnego z zaleceniami producenta.

Dodatkowym wyzwaniem jest fakt, że w nowoczesnych samochodach przestrzeń w komorze silnika jest coraz bardziej ograniczona. Jednostki napędowe są gęsto otoczone osprzętem, co pogarsza warunki pracy poszczególnych elementów – przede wszystkim pod względem temperatury oraz dostępności serwisowej. Problem ten szczególnie odczuwalny jest podczas jazdy w mieście, gdy chłodzenie komory silnika jest ograniczone.

Pomysł opracowania nowych, bardziej zaawansowanych konstrukcyjnie kół pasowych został doceniony przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, czego efektem było podpisanie umowy o dofinansowanie projektu w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (nr POIR.01.01.01-00-0582/18).

Prace rozpoczęto od badań rozkładu temperatur w komorach silnikowych wielu samochodów osobowych w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Równocześnie zaprojektowano i zbudowano unikalne w skali światowej stanowisko laboratoryjne do badań cieplnych i mechanicznych kół pasowych (Fot. 3).

W ramach projektu przeprowadzono również badania (Fot. 4 i 5) właściwości mechanicznych próbek wykonanych z różnych materiałów. Opracowano ponadto blisko trzydzieści modeli matematycznych kół pasowych o zróżnicowanym kształcie żeber podpierających bieżnię paska. Warianty, które w symulacjach wykazywały mniej korzystne parametry pracy przy różnych temperaturach i obciążeniach, były eliminowane na wczesnym etapie analiz. Uzyskane wyniki oraz wnioski posłużyły następnie do zaprojektowania nowych, bardziej zaawansowanych konstrukcji kół pasowych.

Dodatkowo w kilkudziesięciu pojazdach przeprowadzono pomiary sił, z jakimi mechanicy dokręcają koła pasowe po ich wymianie. Ostatecznie do etapu budowy prototypów wybrano dwie koncepcje: koła wykonane z tworzywa sztucznego oraz – stanowiące nowość w skali światowej – koła hybrydowe z wewnętrznym stalowym szkieletem otoczonym tworzywem sztucznym (Fot. 6).

Takie rozwiązanie pozwoliło połączyć zalety obu materiałów. Rolki hybrydowe są znacznie lżejsze od elementów w pełni stalowych, a jednocześnie bardziej wytrzymałe niż te wykonane wyłącznie z tworzywa sztucznego. W ramach projektu opracowano nowe formy wtryskowe i wyprodukowano łącznie 140 prototypów rolek.

Prototypy poddano wielomiesięcznym testom w rzeczywistych warunkach drogowych – łącznie przejechano około 70 tys. kilometrów w różnych warunkach eksploatacyjnych. Równolegle prowadzono badania laboratoryjne na specjalnym stanowisku testowym. W testach uczestniczyło 98 rolek, które pracowały w temperaturach od -38°C do +150°C. W trakcie badań elementy były dodatkowo poddawane działaniu mgły solnej oraz wody.

Podczas prób napięcie paska dochodziło nawet do pięciokrotności wartości nominalnej. Najdłuższa seria pomiarowa trwała blisko trzy miesiące nieprzerwanej pracy rolek przy prędkości obrotowej sięgającej 8 tys. obr./min. Napięcie paska utrzymywano na poziomie co najmniej dwukrotnie wyższym niż zalecane w standardowej eksploatacji pojazdu. Takie warunki odpowiadały użytkowaniu samochodu na dystansie przekraczającym 150 tys. kilometrów.

Wyniki badań potwierdziły, że opracowane rozwiązania:

• osiągają trwałość przekraczającą 150 tys. km przy nominalnym napięciu paska,
• pozwalają zmniejszyć masę tworzywa sztucznego o 11,7% w przypadku rolki plastikowej,
• umożliwiają redukcję masy metalu aż o 93,7% w rolce hybrydowej w porównaniu z tradycyjną rolką stalową.

Po zakończeniu testów drogowych obejmujących 70 tys. km koła zostały zdemontowane z pojazdów i poddane szczegółowym pomiarom kontrolnym. W żadnym przypadku nie stwierdzono przekroczenia tolerancji wymiarowej wynoszącej 0,2 mm.

Rezultaty prac badawczo-rozwojowych zostały objęte trzema patentami, a sama technologia zdobyła liczne nagrody i wyróżnienia (Fot. 7), m.in.:

• Platynowy medal w międzynarodowym konkursie wynalazczości PRIX EIFFEL Paryż 2022,
• GRAND PRIX całych targów wynalazczości PRIX EIFFEL,
• Srebrny medal na XII Międzynarodowych Targach Wynalazczości INTARG 2020,
• I miejsce w kategorii PATENT w konkursie „Świętokrzyski Racjonalizator”,
• nagrodę w kategorii Innowacyjność podczas Gospodarczego Forum Wizja Rozwoju 2022.

Artykuł sponsorowany przez CAFFARO