TUZ, czyli trzypunktowy układ zawieszenia

Trzypunktowy układ zawieszenia narzędzi, zwany skrótowo TUZ-em, to nieodzowny element każdego współczesnego ciągnika. Wynaleziony został już prawie 100 lat temu, jednak jego konstrukcja z biegiem lat ewoluowała. Przyjrzymy się konstrukcji, funkcjom oraz historii rozwoju trzypunktowego układu zawieszenia. | dr inż. Marek Brennensthul, Instytut Inżynierii Rolniczej, UP Wrocław

Historia powstania trzypunktowego układu zawieszenia

Pierwsze pojazdy rolnicze o napędzie parowym (tzw. lokomobile) cechowały się ograniczoną funkcjonalnością przy pracach polowych – najczęściej wykorzystywano je do najbardziej energochłonnego zabiegu, jakim była orka. Późniejszy rozwój konstrukcji pojazdów rolniczych sprawił, że można je było agregatować z maszynami o różnym przeznaczeniu. Szybko dostrzeżono wówczas zalety maszyn zawieszanych w porównaniu z maszynami przyczepianymi; te pierwsze charakteryzowały się niższym ciężarem i zapewniały agregatowi większą zwrotność (np. na uwrociach), ponadto ciężar maszyny zawieszonej na ciągniku rolniczym jest przenoszony na koła napędowe, polepszając tym samym właściwości trakcyjne.

Funkcjonalność takiego rozwiązania wymagała jednak zastosowania systemu, który pozwalałby na szybką i płynną zmianę wysokości położenia maszyny. Prace nad stworzeniem takiego układu podjął w latach 20. XX wieku Harry Ferguson. W 1925 roku uzyskał on patent na hydraulicznie sterowany trzypunktowy układ zawieszenia narzędzi. Układ ten miał już to, co dziś nazwalibyśmy regulacją siłową – umożliwiała ona zmianę zagłębienia pługa w zależności od jego oporu. TUZ według koncepcji Fergusona po wielu modernizacjach i modyfikacjach przetrwał w zasadniczej formie do dnia dzisiejszego.

Funkcje i budowa TUZ-a

Do podstawowych zadań trzypunktowego układu zawieszenia zaliczamy:

• zmianę wysokości położenia zawieszonej maszyny względem ciągnika,
• umożliwienie płynnego zagłębiania/ wygłębiania maszyny,
• uzyskanie położenia transportowego,
• zapewnienie stabilizacji maszyny względem ciągnika,
• zmianę zagłębienia maszyny w zależności od oporu roboczego.

Trójpunktowy układ zawieszenia składa się z dwóch zasadniczych części:

• część mechaniczna – układ zawieszenia,
• część hydrauliczna – podnośnik hydrauliczny.

Część mechaniczna

Część mechaniczna TUZ-a to układ dźwigniowy, który z jednej strony jest połączony z ciągnikiem, a z drugiej strony – z narzędziem. Układ ten wyposażony jest w dwa cięgła dolne oraz tzw. łącznik górny. Na końcach cięgieł dolnych i łącznika górnego zamontowane są elementy łączące TUZ z maszyną (najczęściej w przedniej części maszyny zamontowane są sworznie służące do łączenia z cięgłami i łącznikiem).

Podnoszenie cięgieł dolnych możliwe jest dzięki działaniu siłownika hydraulicznego – tłoczysko tego siłownika połączone jest z ramionami, a te za pośrednictwem wieszaków podnoszą cięgła dolne. Łącznik górny natomiast, oprócz tego, że służy jako element mocujący, daje możliwość poziomowania maszyny względem ciągnika (dzięki tzw. śrubie rzymskiej).

Część hydrauliczna

Część hydrauliczna TUZ-a (nazywana często układem hydrauliki wewnętrznej) w najbardziej elementarnej wersji składa się z siłownika (odpowiedzialnego za podnoszenie), pompy (źródło ciśnienia w układzie) oraz rozdzielacza (służącego do sterowania przepływem oleju). W większości układów hydraulicznych powinien być ponadto zamontowany zawór bezpieczeństwa, który otworzy się przy zbyt dużym ciśnieniu (np. na skutek przekroczenia udźwigu). W ten sposób układ zabezpieczony jest przed uszkodzeniem.

Podnoszenie maszyny zawieszonej na TUZ można uzyskać, przesterowując rozdzielacz – w ten sposób łączymy odpowiednie kanały przepływu oleju. Skierowany on wówczas zostanie do komory siłownika i spowoduje wysunięcie tłoka, a następnie podniesienie ramion podnośnika i cięgieł dolnych.

Opuszczanie realizuje się również dzięki przesterowaniu rozdzielacza, z tym że w zależności od konstrukcji układu może zachodzić ono na dwa sposoby:

• w układach wyposażonych w siłownik jednostronnego działania przesterowanie rozdzielacza polega na umożliwieniu wypływu oleju z siłownika do zbiornika oleju; wytłaczanie oleju z siłownika zachodzi dzięki sile pochodzącej od ciężaru maszyny,
• w układach z siłownikiem dwustronnego działania, aby opuścić narzędzie musimy tak przesterować rozdzielacz, aby zapewnić dopływ oleju w kierunku powodującym ruch „powrotny” siłownika (siłownik ten ma dwie komory robocze).

Współcześnie produkowane ciągniki muszą być coraz bardziej wszechstronne. Większą możliwość ich wykorzystania gwarantują przednie TUZ-y wzbogacone dodatkowo w złącza elektryczne i hydrauliczne.

Przy okazji omawiania układu hydrauliki wewnętrznej należy wspomnieć o tym, że pompa hydrauliczna w trakcie pracy pobiera pewną część mocy silnika. Nawet bez obciążenia układu w pompie występuje tarcie, które może spowodować szybsze zużywanie się elementów pompy. Jest to o tyle istotny problem, że nie we wszystkich ciągnikach istnieje możliwość całkowitego wyłączenia napędu pompy, np. gdy nie korzystamy z układu hydraulicznego. O ile w ciągnikach starszego typu umożliwienie włączenia i wyłączenia pompy wymagało ingerencji w elementy mechaniczne, to obecnie tę funkcję realizuje się np. poprzez zastosowanie sprzęgła elektromagnetycznego.

Współczesne TUZ-y

Występujące we współczesnych ciągnikach trzypunktowe układy zawieszenia różnią się pewnymi szczegółami konstrukcyjnymi, które mogą wpływać na funkcjonalność oraz na bezpieczeństwo i komfort obsługi. Jedną z cech, które mogą różnicować TUZ-y, jest sposób połączenia maszyny z cięgłami dolnymi i łącznikiem górnym. W prostszych rozwiązaniach na końcach cięgieł dolnych zamontowane były przeguby kuliste.

Każdy z przegubów miał otwór, w który należało wprowadzić sworzeń połączony na stałe z agregatowaną maszyną. Łącznik górny również miał przegub kulisty z otworem, w którym umieszczano sworzeń. Główną wadą tego rozwiązania było to, że łączenie maszyny w każdym z punktów mocowania musiało odbywać się ręcznie – przy tej czynności mogło dojść np. do urazów dłoni. Ponadto, zarówno przy cięgłach dolnych, jak i łączniku górnym, konieczne było stosowanie zabezpieczeń uniemożliwiających samoczynne rozłączenie.

Tych wad są pozbawione TUZ-y nowego typu, w tym wypadku cięgła dolne i łącznik górny mają końcówki hakowe z zabezpieczeniami zapadkowymi. Końcówki te służą do łączenia ze specjalnymi przegubami kulowymi osadzanymi na sworzniach maszyny. Podczas zawieszania maszyny na tego typu układzie nie ma konieczności ręcznego zakładania końcówek na sworznie. Proces następuje samoczynnie aż do „zaskoczenia” zapadek (końcówki są wyposażone w elementy naprowadzające). Oczywistą zaletą takiego rozwiązania jest większy komfort i bezpieczeństwo – traktorzysta nie musi nawet wysiadać z kabiny.

Kolejną cechą konstrukcyjną różniącą układy zawieszenia jest sposób stabilizacji cięgieł dolnych. Jednym z głównych wymogów stawianych TUZ-om jest zapewnienie właściwej stabilizacji w kierunku poprzecznym. Chodzi tu o zabezpieczenie maszyny przed nadmiernymi wychyleniami, np. w położeniu transportowym. W starszych rozwiązaniach rolę stabilizatorów pełniły łańcuchy połączone z jednej strony z obudową mostu napędowego, a z drugiej – z cięgłami dolnymi. Między odcinkami łańcuchów zamontowane były elementy służące do skracania bądź wydłużania łańcucha (tym samym pozwalając na zmianę dopuszczalnego kąta wychylenia cięgieł dolnych na boki). W układach nowszego typu spotkać można stabilizatory z funkcją samoblokowania się po zmianie położenia maszyny z roboczego w transportowe.

Zużycie paliwa podczas orki zależy od wielu czynników. Kluczowe jest prawidłowe ustawienie pługa, jednak nie mniej ważne – umiejętne korzystanie z funkcji podnośnika.

Podnośniki z układem EHR są komfortowe w obsłudze nie tylko w kabinie, ale także z poziomu gruntu, przy agregatowaniu sprzętu i kiedy trzeba na polu dokonać regulacji maszyny. Wystarczy skorzystać z przycisków sterujących umieszczonych na błotnikach.

Elektronika w trzypunktowym układzie zawieszenia

Zastosowanie systemów elektronicznych w ciągnikach nie ominęło również trzypunktowego układu zawieszenia. Jak wiadomo, jedną z funkcji TUZ-u jest umożliwienie uzyskania różnych rodzajów regulacji głębokości pracy maszyny. W pierwotnej wersji (mechanicznej) występowały trzy podstawowe typy regulacji – pozycyjna, siłowa i mieszana. Przy regulacji siłowej i mieszanej impulsem do wywoływania zmiany położenia maszyny, np. po wzroście oporu roboczego, była zmiana siły na elementach łączących maszynę z ciągnikiem, najczęściej na łączniku górnym.

Do pomiaru siły i przekazywania impulsu sterującego hydrauliką stosowane były elementy mechaniczne, np. sprężyny, dźwignie. Oprócz tego w układzie musiały być zamontowane elementy służące do określania chwilowego położenia ramion TUZ-u. W nowszych rozwiązaniach TUZ-ów pomiar siły jest realizowany przy użyciu czujników współpracujących z układem elektronicznym. W tym wypadku możemy mówić o tzw. elektrohydraulicznych układach zawieszenia sterowania pracą podnośnika TUZ.

Najbardziej znanym z tych układów jest system EHR (z ang. Electronic-hydraulic Hitch Control) opracowany i wdrożony przez firmę Bosch w końcu lat 70. XX wieku. Układ ten w porównaniu ze starszymi rozwiązaniami charakteryzuje szereg zalet; oprócz regulacji podstawowych (siłowa, pozycyjna, mieszana) pozwala na zmiany głębokości pracy maszyny w zależności od innych parametrów np. może współpracować w układem pomiaru prędkości rzeczywistej i teoretycznej, określając w ten sposób poślizg kół. Jeśli poślizg przekroczy wcześniej zaprogramowaną wartość, to układ wygłębi maszynę, pozwalając na częściowe dociążenie osi napędowej i redukcję poślizgu.

Ponadto, do innych udogodnień związanych z użytkowaniem EHR-u zaliczyć można płynną zmianę prędkości podnoszenia/ opuszczania maszyny, szybkie opuszczanie maszyny bądź możliwość zaprogramowania określonej wysokości podnoszenia. Obsługa układów wyposażonych w EHR jest mniej uciążliwa niż to miało miejsce w wypadku starszych rozwiązań – dźwignie sterujące pracą rozdzielacza zostały zastąpione przez panel z przyciskami. Ponadto, sterowanie pracą podnośnika może odbywać się spoza kabiny ciągnika. W wielu rozwiązaniach konstrukcyjnych dodatkowy panel z przyciskami sterującymi jest umieszczany na zewnątrz, np. na tylnej części błotnika.

Dolne cięgła hakowe pozwalają szybciej, wygodniej i bezpieczniej agregatować maszyny na TUZ.

TUZ z przodu

W latach 80. XX wieku w ciągnikach zaczęły upowszechniać się trzypunktowe układy zawieszenia montowane z przodu ciągnika. W oczywisty sposób zwiększało to funkcjonalność ciągnika. W niektórych wypadkach można było wykonywać dwie czynności podczas jednego przejazdu roboczego. Należy pamiętać, że zawieszenie maszyny w przedniej części ciągnika zwiększy jego stabilność podłużną, zmniejszając tym samym ryzyko odrywania się przedniej osi. Z tego powodu przedni TUZ służy niekiedy do montowania dodatkowego balastu. Jeśli ciągnik jest wyposażony w napęd na obie osie, to oprócz poprawy stabilności uzyskujemy lepsze właściwości trakcyjne na skutek dociążenia osi przedniej.

Standaryzacja elementów TUZ-ów

Początkowy rozwój trzypunktowych układów zawieszenia spowodował pewne niedogodności związane z tym, że niektóre firmy produkowały maszyny przystosowane do łączenia jedynie z niektórymi rodzajami ówczesnych TUZ-ów. Obecnie rozmiary elementów trzypunktowego układu zawieszenia są znormalizowane: określa je międzynarodowa norma ISO 789-1. Wedle tej normy TUZ-y występują w czterech kategoriach (1, 2, 3, 4), przy czym kategoria czwarta jest dodatkowo podzielona na dwie podkategorie (4L i 4H).

Norma określa wymiary poszczególnych elementów układu, m.in. średnice otworów mocujących, rozstaw końcówek cięgieł i wymiary przegubów kulistych. Zasadą jest, że im wyższa kategoria, tym większe wymiary elementów. Oznacza to jednocześnie, że TUZ-y wyższych kategorii przeznaczone są do ciągników o większych mocach.

Podsumowując, można stwierdzić, że rodzaj i konstrukcja trzypunktowego układu zawieszenia narzędzi jest jednym z najważniejszych kryteriów, którymi powinien kierować się rolnik przy wyborze ciągnika. Znajomość poszczególnych odmian i funkcji TUZ-u może okazać się pomocna zarówno przy zakupie ciągnika, jak i maszyn zawieszanych, które mają z nim współpracować.

Rozmiary elementów trzypunktowego układu zawieszenia są znormalizowane międzynarodową normą ISO 789-1. Ich podział obejmuje cztery kategorie (1, 2, 3, 4), przy czym kategoria czwarta jest dodatkowo podzielona na dwie podkategorie (4L i 4H).