Новый многодисковый вариатор з «м» якої» робочої характеристикою

Новый многодисковый вариатор з «м'якої» робочої характеристикой

Нурбей Гулиа, Сергій Юрков В останнє час, у зв’язку з розвитком инверторной техніки і частотного регулювання электромашин, нерідко можна почути думку про неперспективність вариаторного приводу від електродвигунів із постійною частотою обертання. Справді, з допомогою инверторной техніки можна змінювати частоту обертання електродвигунів чи отримувати постійну густину струму від генераторів, обертових з перемінної кутовий швидкістю. Але електромашини з инверторным регулюванням зовсім на заміняють собою їхні ж, але з вариаторным приводом.

Дело тут у тому, що електромашини при инверторном регулюванні повинні обиратися виходячи з максимального крутящего моменту, який струменіє них. При заданої потужності це, робота на мінімальних частотах обертання вимагає электромашин з найбільшими габаритно-массовыми показниками. Загострює становище знижена ефективності роботи більшості электромашин на низьких частотах тока.

Анализ показує, що привід з электромашиной постійної частоти обертання і вариатором істотно ефективніше приводу від электромашин з частотним регулюванням і машин постійного струму, особливо з масі агрегату, і, зрозуміло, вартості. Приміром, отримати максимальний крутний момент близько 100Нм при інтервалі робочих частот обертання 200…2200об/мин з допомогою мотор-вариатора з асинхронним електродвигуном потужністю 2,2кВт загальної масою 30 кг, електродвигуна постійного струму з послідовним порушенням потужністю 3кВт та величезною кількістю 125 кг, і навіть асинхронного електродвигуна з частотним регулюванням потужністю 30кВт з инвертором загальної масою близько 200 кг. У цьому ККД установок з асинхронним електродвигуном порівняємо і коливається між 0,7 і 0,8 залежно від крутящего моменту, а й у електродвигуна постійного струму він дуже падає, приблизно до 0,3 за максимального моменте.

Преимущество вариаторного приводу найрельєфніше спостерігається на великих потужностях приводу, коли маси агрегатів істотні, або коли є жорсткі обмеження до масам агрегатів. Наприклад, за розрахунками, наявність вариатора замість инверторного регулювання на потужних, порядку мегавати і більше, ветроустановках дозволяє знизити масу генератора в 2…3 разу, а вона сьогодні порядку 10 тонн і від. Маса ж генератора серйозно впливає на масу чуток і вартість вишки вітроустановки заввишки близько 120 м. До того ж вітроустановки зазвичай працюють при потужностях менш 25% від настановної, а ККД інверторів при таких недогрузках набагато менше, ніж в описуваного вариатора з оптимизированным, залежать від потужності тиском (сказане належить до німецьким ветроустановкам, із якими автори знайомі по работе).

Очень корисний в цього питання приклад зі автомобільної техніки. Відомо, що двигун автомобіля, як і електромашина з частотним регулюванням, дозволяє змінювати частоту обертання в межах регулюванням подачі палива. Проте спроба обійтися в привід автомобіля без коробки передач, байдуже, східчастої чи бесступенчатой, привела б до добре зрозуміле результату — двигун був би мати масу, сумірну з іншою частиною автомобіля. Або автомобіль був би розганятиметься з інтенсивністю товарного поезда.

Прототипом нового вариатора є з нашого погляду зору перспективний планетарний дисковий вариатор за патентом Великобританії № 1 384 679, F16H15/50, 19.02.75 г. довгий час успішно що його випускає, зокрема, німецької фірмою «Lenze» під назвою «Disco» (рис.1).

.

Рис. 1. Вариатор «Disco» фірми «Lenze»: 1 — ведений вал; 2 — нерухоме кільце муфти; 3 — диск сателітів; 4 — нажимное кільце муфти; 5 — вісь сателіта; 6 — сателіт; 7 — завзяте кільце; 8 — внутрішнє сонячне колесо; 9 — пакет пружин; 10 — вал электродвигателя На валу 10 електродвигуна встановлено внутрішнє сонячне колесо 8, обертове з практично постійної кутовий швидкістю. Зовнішнє сонячне колесо складається з завзятої кільця 7 і натискного кільця муфти 4. Між внутрішнім і зовнішнім сонячними колесами перебувають сателіти 6, встановлені на вісях 5. Сателіти вільно переміщаються в радіальному напрямі, у гніздах диска 3, з якого крутний момент передається на ведений вал 1.

Изменение передатного відносини у вариаторе «Disco» виробляється при працюючої передачі примусово, шляхом обертання через гвинтову чи червячную передачу. При обертанні натискного кільця муфти, має як і нерухоме кільце 2, хвилеподібний профіль, відбувається його переміщення в осьовому напрямі, унаслідок чого змінюється зазор між нажимным і затятим кільцями. При зменшенні зазору сателіти видушуються до центра, стискаючи пакет пружин 9. Передатне ставлення вариатора у своїй зменшується. При обертанні натискного кільця у бік зазор зростає й проміжні конічні диски під впливом пакета пружин кидаються на периферію, підвищуючи передатне отношение.

Следует помітити, що серії вариаторов «Disco» обладнані сервосистемой з додатковим двигуном і приводом для автоматичної зміни передатного відносини, наприклад, залежно від часу опору на вихідному валу.

Планетарная схема вариатора крім високої компактності забезпечує підвищені значення ККД, особливо у малих передатних відносинах, близьких до одиниці (нагадаємо, що з передатному відношенні, рівному одиниці весь планетарний механізм працює як одне без втрат на прокручування). Це властивість особливо важливо задля автомобілів, оскільки найбільші потужність двигуна та палестинці час роботи відбувається саме у таких передатних відносинах, званих розтяжок на автомобілебудуванні «вищими». Слід зазначити, що став саме дисковий вариатор, в на відміну від вариаторов інших типів, найкраще адресований планетарної схеми, бо всі його працівники елементи обертаються одноплощинно і піддаються дуже високим гироскопическим впливам, згубно впливає на підшипники сателітів. Вариаторы ж із гнучкою зв’язком практично непридатні для використання по планетарної схемою. По несучою здатності Німеччини та експлуатаційним показниками — це з кращих вариаторов.

Однако вариаторам «Disco» притаманні такі істотними недоліками, аналіз яких необхідний розуміння роботи нового вариатора.

Невозможность підвищення переданого крутящего моменту і шляхом простого збільшення числа рядів дисків, оскільки робиться у многодисковых вариаторах. Це наслідок те, що зовнішні та внутрішні центральні фрикційні диски за зміни передатного відносини переміщаються в протилежних напрямах. Наприклад, при зближення зовнішніх дисків, внутрішні розсовуються, і наоборот.

Внешние і внутрішні фрикційні диски є жорсткі, практично недеформируемые в осьовому напрямі елементи, що робить зусилля тиску сприймають при шести сателітів лише 70% точок контакту. Це призводить падіння ККД і що допускаються контактних напруг, підвищить ймовірність заеданий і дуже точного виконання дисков-сателлитов за «товщиною (жорсткий допуск на разнотолщинность), що підвищує вартість изделия.

Весьма несприятливі умови тиску фрикционных дисків, пов’язані з способом регулювання передатного відносини. Натискання в зовнішньому і у внутрішньому фрикционных контактах не враховуючи відцентрових у цих вариаторах однакові, причому вони підвищуються зі збільшенням частоти обертання вихідного валу, тобто за зменшенні передатного відносини («видавлюванні» сателітів до центра). У цьому становищі максимальні відцентрові ефекти сателітів, додатково істотно навантажують їх зони контактів із внутрішніми дисками. Аналіз свідчить, що необхідні, тобто оптимальні нажимные зусилля прямо протилежні які є, що робить при малих передатних відносинах сильно — вдесятеро — перевантаженими виявляються контакти сателітів з зовнішніми дисками. Наслідки цих пережимів видно з мал.2, у якому наведено експериментальні залежності ККД вариатора «Disco» і нового планетарного дискового прогресивного вариатора від частоти обертання вихідного валу. Найбільше падіння ККД практикується в вариаторов «Disco» у найбільш використовуваному, особливо автомобілів, режимі максимальних частот обертання вихідного валу (мінімальних передатних отношений).

.

Рис. 2. Експериментальні графіки залежності ККД від частоти обертання вихідного валу: 1 — нового планетарного дискового прогресивного вариатора; 2 — вариатора «Disco» фірми «Lenze».

Способ регулювання передатного відносини вариаторов «Disco», визначається їх конструкцією, незастосовним до їх використання автомобілях та інших машинах з динамічним зміною режимів роботи. Крім несприятливих умов тиску дисків, що викликаються у такий спосіб, навіть за наявності сервосистемы зміни передатного відносини, системи датчиків і електронного блоку управління, реакція механізму на збільшення зусилля притискання зовнішніх дисків (саме відбувається зміна передатного відносини) настає дуже нескоро. Переміщення сателітів наслідок пружних деформацій сталевих жорстких дисків і здійснюється надто повільно — до 250 секунд. Оперативного зміни передатного відносини шляхом безпосереднього переміщення сателітів тут здійснити нельзя.

Между тим сама планетарна схема дискового вариатора настільки перспективна проти іншими вариаторами, що вирішили створити цій основі вариатор, позбавлений згаданих недоліків і забезпечує такі корисні свойства.

Многодисковость конструкції при поєднанні по осі зовнішніх й наявність внутрішніх рядів фрикционных дисків. Це дозволить підвищувати несе здатність вариатора пропорційно числу рядів дисків при незначному збільшенні його габаритів по длине.

Равномерность притискання всіх зон контактів незалежно від числі сателітів, що дозволяє уникнути заеданий при високих значеннях контактних напруг, допустимих для точечної вихідного контакту. Досягають цього використанням упруго-податливых центральних фрикционных дисків, компенсуючих разнотолщинность сателлитов.

Оптимизированный 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. Аналіз свідчить, що з значної частини найважливіших застосувань вариаторов цей спосіб притискання фрикционных елементів найбільш подходит.

Это належить, наприклад, до приводам від электромашин змінного струму з постійної частотою обертання. Забезпечуючи найкращі показники за максимальної потужності, такий спосіб притискання мало знижує ефективності і за зменшенні споживаної потужності 2…3раза, оскільки пережим до цього число раз дуже незначно знижує ККД (порівняйте з пережимом вдесятеро у вариаторов «Disco»).

Это ж належить до найбільш масовому і перспективному споживачеві вариаторов — автомобілю. Не вдаючись у нюанси цього йому досить складного питання, відзначимо, що у режимах повної подачі палива, саме цих режимах працюють сучасні системи автомобільних трансмісій з вариаторами, залежність притискання дисків від передатного відносини найефективніша. На часткових режимах подачі палива передбачається працювати лише у окремих випадках, та й у своїй ККД самого двигуна знижується настільки різко, що незначне зниження ККД вариатора через пережима дисків тут виявиться практично незаметным.

На таких потенційно масових споживачах вариаторов з великим ККД як вітроелектростанції, гаданий спосіб тиску найкращий, оскільки тут усе силові параметри вариатора, зокрема і натискування, залежить від частоти обертання вітроколеса, але це при постійної частоті обертання генератора означає, як і від передатного відносини вариатора.

Главное, на наш погляд, властивість — це саморегулируемость, адаптивність, чи використовуючи застосовуваний для вариаторов термін — «прогресивність». Це властивість особливо цінно тоді, як його досягається не використанням додаткових складних, найдорожчих і престижних ненадійних силових сервосистем з датчиками, електронними блоками управління і серводвигателями з виконавчими механізмами, а органічно властиво даної конструкції вариатора. Це буває у конструкції нового вариатора об'єднанням систем тиску та передатного відносини. До до того ж передбачена можливість примусового (за бажання оператора) зміни в процесі лікування ступеня цієї прогресивності чи «м'якості» залежності частоти обертання від часу опору не вдома. Зрозуміло, передбачено і безпосереднє примусове зміна передатного відносини, у цьому числі у деяких випадках і нерухомому вариаторе, що принципово неможливо на вариаторах «Disco» і переважну більшість інших фрикционных вариаторов.

Эти властивості нового вариатора, робота з якого ведеться московському державному індустріальному університеті (МГИУ) близько 20 років, відбито у патентів Росії [1, 2].

Принципиальная схема вариатора представлена на рис. 3. І на цій схемою вариатор включає всього два низки центральних фрикционных дисків — нерухомих зовнішніх 9, встановлених в корпусі 18, й міністром внутрішніх 5с затиснутими з-поміж них сателітами 7 з допомогою тарельчатых (чи навіть пласких дискових) пружин 4 і побачили 8-го, відповідно. Проте за схемою зрозуміло, цих рядів то, можливо як завгодно багато, скільки витримають по прочностным і жесткостным показниками осі сателітів 10, та його підшипники 6. Не виключені проміжні підтримують опертя вісях 10, переважно при числі рядів вище чотирьох. Кількість сателітів щодо одного ряді переважно шість, як й у вариаторах «Disco», хоча до потужних пристроїв з малим діапазоном варіювання (наприклад, для потужних вітроустановок), їх то, можливо до 12. Підшипники 6 осей 10 перебувають у одному кінці поворотних важелів 19, на інших кінцях яких розміщені противаги 11, одна група яких оснащена роликами 12, які у фасонных прорізах 20 диска 13, що з вихідним валом 17.

.

Рис. 3. Схема нового планетарного дискового прогресивного вариатора: 1 — вісь поворотних важелів; 2 — водив; 3 — вхідний вал; 4 — тарельчатая пружина; 5 — внутрішній центральний фрикционный диск; 6 — підшипники сателітів; 7 — сателіт; 8 — пласка дискова пружина; 9 — нерухомий зовнішній центральний фрикционный диск; 10 — вісь сателітів; 11 — противагу; 12 — ролик; 13 — прорізній диск; 14 — важіль; 15 — пружина; 16 — підоймовий механізм; 17 — вихідний вал; 18 — корпус-эпицикл; 19 — поворотний важіль; 20 — фасонна проріз прорезного диска; ЖСМ — рідкий мастильний материал.

Поворотные важелі 19 сидять на вісях 1, закріплених в водиле 2. Ролики 12 отжимаются на периферію пружинами 15, зусилля яких може змінюватися примусово з допомогою рычажного механізму 16, вплив який здійснюється важелем 14. Важіль може пересуватися як вручну (наприклад, з допомогою винтового механізму, якщо потрібно примусово встановлювати потрібні передавальні відносини), і з допомогою підсилювачів, мають пружну характеристику (наприклад, пневмокамер, керованих від пневмосистемы). 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 14 буде зв’язаний з педаллю управління швидкістю автомобіля, з додатковим підсилювачем чи ні него.

При зміні крутящего моменту на вихідному валу 17, ролик 12, які перебувають у прорізу 20 в урівноваженому стані, під впливом зусиль пружин 4, 8, 15, тангенциальных зусиль робочого моменту та інших зусиль у механізмі вариатора, змінює свою становище у прорізу, змінюючи у своїй передатне ставлення. Нажимные пружини 4 і побачили 8-го 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 20 можуть виконати і такої профілю, коли лише зменшує чи цілком усуває зусилля перекладу ролика 12 при зміні передатного відносини. Отже, властивість прогресивності є хіба що «уродженим» властивістю, властивим конструкції вариатора, і досягається лише добором форми прорізу 20 і жорсткості пружини 15.

Опытный зразок описаного вариатора як мотор-вариатора був і спроектований авторами даної праці та виготовлений на АМО ЗІЛ зі спільного тематичного плану із Московською державним індустріальним університетом (МГИУ). При розрахунку вариатора було використано створені з участю авторів методи і програми [3]. Проектування вариатора здійснювалося у системі тривимірного моделювання CATIA (рис.4). Зауважимо, що досвідчений зразок мотор-вариатора, має самостійне значення для загальнопромислового призначення, для АМО ЗІЛ є першою етапом створення автоматичної бесступенчатой коробки передач, зокрема на автобуса ЗИЛ-3250.

.

Рис. 4. Изометрия мотор-вариатора Для випробувань мотор-вариатор був оснастили гальмівним пристроєм з водяником охолодженням гальмівного барабана і із можливістю регулювання гальмівного моменту (рис.5).

.

Рис. 5. Загальний вид мотор-вариатора з гальмівним устройством Испытания досвідченого зразка показали, що вариатор справді є прогресивним, маючи «м'яку» характеристику, подану на рис. 6.

.

Рис. 6. Залежність крутящего моменту не вдома Мвых від частоти обертання вихідного валу n2 і передатного відносини і мотор-вариатора При цьому високих передатних відносинах, у разі кинематическом, рівному i=9, а реальному близько i=13, проскальзывание досягало 35%, а значення переданого крутящего моменту, всі зростала. Цю незвичайну «живучість» фрикційного вариатора ми пояснюємо високим значенням чинника вертіння при високих передатних відносинах даного вариатора. Схожий ефект зростання коефіцієнта УГД-трения при високих значеннях проскальзывания і чинника вертіння було отримано проф. H. Vojacek в трибологической лабораторії м. Гмунде, Німеччина [4]. Як відомо, при малих значеннях чинника вертіння вже невеликі значення ковзання викликають падіння коефіцієнта УГД-трения і буксування фрикционной передачі, що показано численними випробуваннями на роликових стендах.

Концепция нового прогресивного вариатора у його автомобільному призначенні як автоматичної бесступенчатой коробки передач було описано в [5, 6], як складової частини автомобільного гібрида в [7, 8], і як нового перспективного типу рушія автомобіля, де вариатор вмонтований в маточину ведучого колеса — вариоколеса, в [9].

Наиболее великої спроектованої конструкцією з урахуванням розробленого вариатора є вариатор-мультипликатор для вітроустановки потужністю 680кВт. Слід помітити, що здвоєний вариатор такий потужності з однією механізмом управління, розміщеним у середині, може передати потужність 1,5МВт, що достатньо найпоширеніша у найближчій перспективі моделі вітроустановки. Слід зазначити, що і потужність, передана через кожну зоною контакту у своїй, і особливо потужність втрат, переходячи у тепло, тут значно менші, ніж здатна передати зона контакту навіть меншого розміру, що показано випробуваннями на стендах [10].

В ролі рідкого мастильного матеріалу (ЖСМ) передбачається використання як моторного олії (наприклад, для коробки передач до автобусу ЗИЛ-3250, має великий запас за проектною потужністю), і спеціально розроблених трактантов «Santotrac» і «Variotrac», широко які у навіть Німеччини, і навіть вітчизняного трактанта ВТМ-1. Зауважимо, що використання трактантов істотно підвищує несе здатність, довговічність і ККД вариаторов і їх застосування сумнівів не вызывают.

Список литературы

Многодисковый планетарний вариатор / Н. В. Гулиа. — Патент Росії № 2 140 028; 26.05.98.

Автоматическая бесступенчатая передача / Н. В. Гулиа. — Патент Росії № 2 138 710; 16.06.98.

Гулиа Н.В., Юрков С. А., Петракова Е. А., Ковчегин Д. А., Волков Д. Б. Методика розрахунку основних параметрів фрикційного дискового вариатора // Довідник. Інженерний журнал. — 2001. — № 1. — С.30…39.

Vojacek H., Traktionsfluide Struktur und Eigenschaften vor alle Reibungsverhalten, Elmatik Gmb, 8036 Herrsching 2/BRD, 1985.

Отрохов В.П., Гулиа Н. В., Петракова Е. А., Юрков С. А. Бесступенчатая коробка передач для ЗиЛ-5301 // Автомобільна промисловість. — 1998. -№ 7. — С.16…18.

Гулиа Н.В., Власов А.Є., Юрков С. А. Механическая бесступенчатая передача для вантажних автомобілів і автобусів. Перспективи використання // Вантажівка & Автобус, тролейбус, трамвай. — 1999. — № 12. — С.7…12.

Гулиа Н.В., Юрков С. А. Гибридные силові агрегати для міських автобусів // Вантажівка & Автобус, тролейбус, трамвай. — 2000. — № 1. — С.10…14.

Гулиа Н.В., Юрков С. А. Новая концепція електромобіля // Автомобільна промисловість. — 2000. — № 2. — С.14…17.

Гулиа Н.В., Мартін Ф., Юрков С. А. Вариоколесо та її перспективи для автомобілів // Автомобільна промисловість. — 2000. — № 10. — С.19…21.

Елманов І.М., Колесников В. И. Термовязкоупругие процеси трибосистем за умов упругогидродинамического контакту. — Ростов-на-Дону: Центр Вищої школи, 1999. — 173с.