Новый адаптивний фрикционный вариатор для бесступенчатой трансмісії автомобіля

Новый адаптивний фрикционный вариатор для бесступенчатой трансмісії автомобиля

Нурбей Гулиа, Сергій Юрков В час перспективність використання вариаторов для бесступенчатой автоматичної трансмісії автомобіля бракує сумнівів. Особливо великий економічний і екологічний ефект очікується від застосування гібридних силових агрегатів, де двигун працює лише з оптимальному режимі, а вироблена енергія, запасна в накопичувачі, витрачається рух автомобіля. Найбільш підходящі для використання автомобілем нагромаджувачі механічної енергії - супермаховики, вимагають саме механічної бесступенчатой трансмісії, тобто вариаторов. Вариаторный привід ефективний і тоді, коли джерелом первинної енергії автомобілем є акумулятори чи паливні элементы.

Существующие трансмісії автомобілів з урахуванням фрикционных вариаторов автоматичні, але це автоматичність здійснюється за допомоги відповідних датчиків, електронних блоків управління і сервоприводов зміни передатного відносини з відповідними електрочи гидродвигателями і редукторами. Нагадаємо, більшість вариаторов для автомобільних трансмісій мають навіть механізм тиску фрикционных тіл, обладнаний сервоприводом. Через війну сервосистемы вариаторного приводу автомобілів за обсягом, масі і вартості порівнянні з його силовий частью.

Отличительной особливістю нового вариатора, що робить трансмісію з такою вариатором автоматичної, є його адаптивність до навантаженні, причому регульована. Адаптивність є «уродженим» чи органічно властивим властивістю конструкції нового вариатора, як це має місце, наприклад, в гидротрансформаторах, де за збільшенні навантаження (моменту опору) на вихідному валу, частота обертання цього валу знижується. Однак у кожному конкретному випадку ця «м'яка» характеристика залежності моменту від частоти обертання певна і конкретна. У кодексі ж вариаторе «м'якість» по бажанню оператора може змінюватися. Використовуючи приклад із гидротрансформатором можна назвати, що є унікальні конструкції гидротрансформаторов з змінним обсягом робочої рідини («заплавні»). При малому обсязі робочої рідини такий гидротрансформатор різко знижує частоту обертання турбінного колеса (вихідного валу) зі збільшенням навантаження нею; під час заповнення порожнини рідиною робоча характеристика гидротрансформатора стає дедалі жорсткої, досягаючи максимуму за повної заповненні. У цьому частота обертання вхідного валу (насосного колеса) мається на увазі конкретної постоянной.

Вот таку характеристику «перемінної жорсткості» має новий вариатор із регульованою адаптивностью. З тією відмінністю, звісно, що діапазон варіювання передатного відносини не менш як вісім, а ККД всієї бесступенчатой коробки передач з такою вариатором від приблизно 0,8 при трогании з місця до 0,95…0,96 при найбільш потрібному для автомобіля мінімальному передатному відношенні, що значно більше, ніж в коробки передач з гидротрансформатором (ГМП). Коробка передач з новими вариатором, ще, значно менше існуючих ГМП і легше їх, не вимагає перемикання щаблів, та й містить їх узагалі; момент на своєму шляху вперед не проходить ніяких зубчастих передач, що дуже покращує акустичні показники такий коробки передач.

Такие властивості нового вариатора досягаються особливостями його конструкції, відбитими в патентів Росії № 2 140 028 від 26.05.98 р. «Многодисковый планетарний вариатор» і № 2 138 710 від 16.06.98 р. «Автоматична бесступенчатая передача» і заявці на міжнародний патент РСТ/RU99/162 (автор — Н.В. Гулиа).

Принципиальная схема автоматичної бесступенчатой коробки передач автомобіля з урахуванням нового адаптивного вариатора представлена на рис. 1. І на цій схемою вариатор включає усього дві низки центральних фрикционных дисків — зовнішніх 10 й наявність внутрішніх 5 з затиснутими з-поміж них сателітами 7 з допомогою тарельчатых (чи навіть пласких дискових) пружин 4 і 9, відповідно. Проте з схемою зрозуміло, цих рядів то, можливо як завгодно багато, скільки витримають по прочностным і жесткостным показниками осі сателітів 11, та його підшипники 6. Не виключені проміжні підтримують опертя вісях 11, переважно при числі рядів вище чотирьох. Кількість сателітів щодо одного ряді переважно шість, хоча до потужних пристроїв з малим діапазоном варіювання їх то, можливо до 12. Підшипники 6 осей 11 перебувають у одному кінці поворотних важелів 21, інших кінцях яких розміщені противаги 12, одна група яких оснащена роликами 13, які у фасонных прорізах 22 диска 14, що з вихідним валом 19.

.

Рис. 1. Схема автоматичної бесступенчатой коробки передач автомобіля з урахуванням нового планетарного дискового адаптивного вариатора: 1 — вісь поворотних важелів; 2 — пакет пластин; 3 — водив; 4 — тарельчатая пружина; 5 — внутрішній центральний фрикционный диск; 6 — підшипники сателітів; 7 — сателіт; 8 — фрикционы; 9 — пласка дискова пружина; 10 — зовнішній центральний фрикционный диск; 11 — вісь сателітів; 12 — противагу; 13 — ролик; 14 — прорізній диск; 15 — важіль; 16 — пружина; 17 — підоймовий механізм; 18 — каретка; 19 — вихідний вал; 20 — эпицикл; 21 — поворотний важіль; 22 — фасонна проріз прорезного диска; ЖСМ — рідкий мастильний материал.

Поворотные важелі 21 сидять на вісях 1, закріплених в водиле 3. Ролики 13 отжимаются на периферію пружинами 16, зусилля яких може змінюватися примусово з допомогою рычажного механізму 17, вплив на що роблять важелем 15 системою выжимных підшипників. Важіль може пересуватися як вручну, і з допомогою підсилювачів, мають пружну характеристику (наприклад, пневмокамер, керованих від пневмосистемы автомобіля). Слід зазначити, що вариатор є прогресивним і механізму зміни зусилля пружин. Але тоді він мати всього одну «м'яку» робочу характеристику, наприклад, як в гидротрансформатора чи електродвигуна постійного струму з послідовним порушенням. Описаний механізм зміни зусилля пружин (як і бік її зменшення, і збільшення) змінює лише ступінь «м'якості» характеристики вариатора, дозволяючи працювати будь-якою режимі, що особливо важливо задля автомобільної автоматичної трансмісії. У разі важіль 15 буде зв’язаний з педаллю управління швидкістю автомобіля, з додатковим підсилювачем чи ні него.

Крутящий момент від маховика двигуна до первинному валу коробки передач передається через пакет круглих сталевих пластин 2, при цьому функції зчеплення виконують фрикционы 8. При зажатии правого пакета фрикционов гальмується эпицикл 20, що у поєднанні з переміщенням каретки 18, пов’язаної телескопически з вихідним валом 19, вліво дозволяє їм отримати передачі переднього ходу. Для отримання передач заднього ходу затискається лівий пакет фрикционов, у своїй гальмується водив 3. Эпицикл 20 обертається убік, протилежну обертанню первинного валу і сполучається з вихідним валом переміщенням каретки 18 вправо. Нейтралі відповідає проміжне чи центральне становище каретки 18.

При зміні крутящего моменту на вихідному валу 19, ролик 13, які перебувають у прорізу 22 в урівноваженому стані, під дією зусиль пружин 4, 9, 16, тангенциальных зусиль робочого моменту і інших зусиль у механізмі вариатора, змінює свою становище у прорізу, змінюючи у своїй передатне ставлення. Нажимные пружини 4 і 9-те у своїй пружно деформуються з допомогою расклинивающего дії сателітів, що з обертанні фрикционных дисків пов’язані з незначним опором тертю, і спеціально підібрані характеристики «сила-деформация», забезпечують оптимальний по ККД тиск фрикционных дисків, з запасом? = 1,25…1,5. Проріз 22 то, можливо виконано, та такого профілю, коли лише зменшує чи цілком усуває зусилля перекладу ролика 13 за зміни передатного відносини. Отже, властивість прогресивності є хіба що «уродженим» властивістю, властивим конструкції вариатора, і досягається лише добором форми прорізу 22 і жорсткості пружини 16.

Следует відзначити також оптимізований автоматичний притиск фрикционных дисків, залежить від передатного відносини вариатора. Це дозволяє враховувати змінюється коефіцієнт упругогидродинамического (УГД) тертя у фрикционных контактах, також залежить від передатного відносини вариатора. Такий спосіб притискання фрикционных елементів вариатора, будучи найпростішим з відомих, дозволяє оптимізувати його за ККД стосовно сучасної автоматичної системи управління швидкістю автомобіля. Система ця розроблено у МДТУ «МАМИ» під керівництвом проф. В. В. Селифонова, і суть її коротко виявляється у тому, що основну частину роботи автомобіля управління швидкістю машини ведеться при найбільш економічної (практично повної) подачі палива на двигун тільки завдяки традиційному зміни передатного відносини вариатора. Дозволимо собі доступно пояснити суть цього способу на прикладі автомобілі з звичайній східчастої коробкою передач. Припустимо, що найбільша швидкість автомобіля, відповідна максимальної потужності двигуна, досягається на пряму передачу в коробці передач, тобто на головну передачу надходить частота обертання двигуна. Якщо ми включаємо звані «що б» чи правильніше «економічні» передачі, скажімо 0,9, 0,8, 0,7 і т.д., то швидкість руху автомобіля, як відомо, знижується, а економічність — підвищується. Частота обертання колінчатого валу двигуна у своїй також знижується. Зрозуміло, з декотрими нюансами у системі подачі палива, особливо ефективними для дизелів і двигунів з безпосереднім упорскуванням, економічність автомобіля (зниження колійного витрати палива) підвищиться до досягнення нестійких частот обертання колінчатого валу. Таким чином, управління швидкістю ведеться, з першого погляду, парадоксальним чином — зниження швидкості охоплюють усі більш «вищі» передачі (тобто передатне ставлення знижується), а підвищення швидкості передатне ставлення повышается.

Расчет показує, що з легкових авто у, такий «економічний» спосіб регулювання швидкості може застосовуватися починаючи з 50…70 км/год, для вантажних — з 20…30 км/год, а міських автобусів — з 10…15 км/год. До цих швидкостей доведеться на часткових режимах подачі палива й при «звичайному» відповідність швидкості і передачі у коробці. Варто було б вирізнити, що сьогодні на звичайних автомобілях зі ступеневими коробками передач ми проводимо практично той самий — рушаючи з місця та досягаючи максимуму швидкості ми знижуємо передатне число в коробці передач, а й навіть, включаючи «овердрайв», ми продовжуємо знижувати передатне число, але зменшуючи у своїй швидкість автомобіля. У цьому, якщо взяти, скажімо, рух зі швидкістю 100 км/год по шосе на легковому автомобілі із сильним двигуном, у разі що досягається зменшенням подачі палива, тоді як у другому — включенням відповідного «овердрайва», тобто економічної передачі, то шляховий витрата у другому разі, може зменшитися на третину. Що внаслідок те, що цих «економічних» передач зазвичай трохи, ми, на жаль, здебільшого так швидкістю автомобіля не управляємо. А вариатор подає незліченну кількість цих «економічних» передач!

Так ось, повертаючись до оптимизированному тиску фрикционных тіл нового вариатора, залежному з його передатного відносини, відзначимо, що для практично постійного моменту двигуна такої системи управління швидкістю цей спосіб тиску підходить ідеально. Через те, що найбільші коливання коефіцієнта запасу по сцеплению? в 1,5…2 рази — практично не б’ють по ККД вариатора, коливання моменту двигуна за цілковитої подачі палива, але різних частотах обертання, теж позначаться на згаданому ККД. На часткових ж режимах ККД вариатора може бути кілька (на 2…3%) зменшитися через підвищення ?, але ці зменшення буде непомітно через сильного зменшення ККД двигуна цих режимах. До того ж сучасний спосіб регулювання швидкості автомобілі з бесступенчатой передачею залишає роботі двигуна на часткових режимах дуже малу роль.

Для підтвердження згаданих особливостей нового вариатора та засобами визначення можливостей виготовлення автоматичної бесступенчатой коробки передач його основі для автомобілів ЗІЛ й у першу чергу для автобуса ЗИЛ-3250 на АМО ЗІЛ виготовили досвідчений зразок такого вариатора. Для зручності випробувань вариатор був укомплектований асинхронним електродвигуном і нагрузочным пристроєм на вихідному валу вариатора, що дозволяє знімати робочі характеристики вариатора.

Схема випробувань вариатора представлена на рис. 2. Вариатор 4 разом із асинхронним електродвигуном 5 і нагрузочным гальмом 3 встановлено на станині 9. Регулювання адаптивності вариатора здійснюється важелем 6. Момент на нагрузочном гальмі 3, регульований гвинтом 2, вимірювався динамометром розтяги 1; частота обертання вхідного валу вариатора (валу електродвигуна) — тахометром 8, а вихідного валу вариатора — тахометром 10; струм електромотора (контролю крутящего моменту входу) — амперметром 7. До випробувань вариатора аналогічним чином було випробуваний безпосередньо сам електродвигун, та був разом із вариатором без фрикційного торкання дисків. За отриманими даним будувалася тарировочная характеристика електродвигуна — крутний момент з його валу залежно від струму і частоти обертання, і навіть така характеристика з урахуванням барботажных втрат (змащування вариатора здійснювалася моторним олією М-8 погружением).

.

Рис. 2. Схема випробувань мотор-вариатора: 1 — динамометр розтяги; 2 — регулювальний гвинт; 3 — нагрузочный гальмо; 4 — вариатор; 5 — асинхронний електродвигун; 6 — важіль регулятора адаптивності; 7 — амперметр; 8 і десяти — тахометри; 9 — станина По даним, одержаними під час випробуванні вариатора з урахуванням тарировочных даних із контролем крутящего моменту електродвигуна з двох параметрами — току й частоти обертання, було побудовано основні характеристики — залежність крутящего моменту Т на вихідному валу і ККД вариатора? від частоти обертання n вихідного валу і передатного відносини вариатора і (рис. 3). Регулятор адаптивності для простоти виконано лише яке підвищує «м'якість» характеристики T = f (n), але від використання автомобілем він і зменшувати цю «мягкость».

.

Рис. 3. Експериментальна залежність ККД? вариатора (1) і крутящего моменту T на вихідному валу (2) і зажадав від частоти обертання n вихідного валу і передатного відносини і вариатора На малих передатних відносинах ККД даного вариатора завдяки одній його планетарної схемою, прагнучи 100% при передатному відношенні рівному одиниці, дуже високий, що особливо важливо задля автомобільної трансмісії. Слід зазначити, що ККД досвідченого зразка вариатора, потужність що його десятки разів менша потужності переданої автомобільної коробкою передач, природно, менше, ніж полноразмерной конструкції. До того ж змащування тут здійснювалася зануренням, що з планетарних передач неекономічно, й у вариаторной коробці передач вона замінена струйной подачею рідкого мастильного матеріалу (ЖСМ). Проте, при малих передатних відносинах — від 1,3 до 2, що він відповідає частотах обертання n = 1100…700 об./хв, ККД змінюється від 0,96 до 0,90, що досить багато. Значення ККД, однакову? = 0,75, характеризується передатному відношенні рівному і = 7, що він відповідає троганию з місця автомобіля. Для реальної полноразмерной конструкції, значення ККД при вищому передатному відношенні очікується близько 0,80…0,85.

Дисковый вариатор є ідеальним від використання його за планетарної схемою, бо всі фрикційні робочі елементи (диски) обертаються одноплощинно і виникає шкідливих гироскопических явищ, згубних для опор сателітів. Жоден вариатор іншого типу — тороидальный, кульової, конструкції Є.І. Пирожкова тощо. настільки не наближається до планетарної схемою, як дисковий, у зазначеній причини. Вариаторы з гнучкою зв’язком (ременный, ланцюгової) взагалі можуть працювати по планетарної схемою, а планетарна схема по порівнянню зі схемами з зупиненим водилом (звичайними схемами) забезпечує зниження втрат на вищих передачах щонайменше аніж утричі, що особливо важливо задля автомобилей.

Добавим, що використання для вариатора як ЖСМ замість мінеральних масел спеціальних робочих рідин — трактантов, більш ніж у 1,5 разу підвищує несе здатність вариатора тієї ж типорозмірів, додатково підвищує ККД, знижує ковзання, істотно підвищує довговічність фрикционных пар. Але навіть за мастилі звичайними мінеральними мастилами ця довговічність сягає 25 000 і більше годин, що він відповідає пробігу близько 1 млн. км, що доведено численними випробуваннями дискових вариаторов.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.