Нурбія Гулиа, Сергій Юрков
В даний час перспективність використання варіаторів для безступінчатим автоматичної трансмісії автомобіля не викликає сумнівів. Особливо великий економічний і екологічний ефект очікується від застосування гібридних силових агрегатів, де двигун працює тільки на оптимальному режимі, а вироблена енергія, запасна в накопичувачі, витрачається на рух автомобіля. Найбільш відповідні до використання на автомобілі накопичувачі механічної енергії - супермаховик, вимагають саме механічної безступінчатим трансмісії, тобто варіаторів. Варіаторний привід ефективний і тоді, коли джерелом первинної енергії на автомобілі є акумулятори або паливні елементи.
Існуючі трансмісії автомобілів на основі фрикційних варіаторів автоматичні, але ця Автоматичність здійснюється за допомогою відповідних датчиків, електронних блоків управління і сервоприводів зміни передавального відношення з відповідними електро-або гідродвигунами і редукторами. Нагадаємо, що більшість варіаторів для автомобільних трансмісій мають навіть механізм натиску фрикційних тіл, забезпечений сервоприводом. У результаті сервосистеми варіаторной приводу автомобілів за обсягом, масі і вартості сумірні з його силовою частиною.
Відмінною особливістю нового варіатора, що робить трансмісію з таким варіатором автоматичної, є його адаптивність до навантаження, причому регульована. Адаптивність є «уродженим» або органічно властивим властивістю конструкції нового варіатора, як це має місце, наприклад, в гідротрансформаторах, де при збільшенні навантаження (моменту опору) на вихідному валу, частота обертання цього валу знижується. Але в кожному конкретному випадку ця «м'яка» характеристика залежності моменту від частоти обертання певна і конкретна. У новому ж варіаторі «м'якість» за бажанням оператора може змінюватися. Використовуючи приклад з гідротрансформатором можна відзначити, що є унікальні конструкції гідротрансформаторів зі змінним об'ємом робочої рідини («заливні»). При малому обсязі робочої рідини такий гідротрансформатор різко знижує частоту обертання турбінного колеса (вихідного валу) при збільшенні навантаження на нього; при заповненні порожнини рідиною робоча характеристика гідротрансформатора стає все більш жорсткою, досягаючи максимуму при повному заповненні. При цьому частота обертання вхідного вала (насосного колеса) мається на увазі конкретної постійною.
Ось таку характеристику «змінної жорсткості» має новий варіатор з регульованою адаптивністю. З тією різницею, звичайно, що діапазон варіювання передавального відносини тут не менше восьми, а ККД всієї безступінчатим коробки передач з таким варіатором від приблизно 0,8 при рушанні з місця до 0,95 ... 0,96 при найбільш потрібному для автомобіля мінімальному передатному відношенні, що значно більше, ніж у коробки передач з гідротрансформатором (ГМП). Коробка передач з новим варіатором, крім того, значно менше існуючих ГМП і легше їх, не вимагає перемикання ступенів, та й не містить їх взагалі; момент при русі вперед не проходить ніяких зубчастих передач, що істотно покращує акустичні показники такої коробки передач.
Такі властивості нового варіатора досягаються особливостями його конструкції, відображеними в патентах Росії № 2140028 від 26.05.98 р. «Багатодискові планетарний варіатор» і № 2138710 від 16.06.98 р. «Автоматична безступінчата передача» та заявку на міжнародний патент РСТ/RU99/00162 (автор - Н. В. Гулиа).
Принципова схема автоматичної безступінчатим коробки передач автомобіля на основі нового адаптивного варіатора представлена на рис. 1. На цій схемі варіатор включає всього два ряди центральних фрикційних дисків - зовнішніх 10 і внутрішніх 5 з затиснутими між ними сателітами 7 за допомогою тарілчастих (або просто плоских дискових) пружин 4 і 9, відповідно. Проте за схемою зрозуміло, що цих рядів може бути як завгодно багато, скільки витримають по міцності і жорсткості показниками осі сателітів 11, і їх підшипники 6. Не виключаються й проміжні підтримуючі опори на осях 11, переважно за кількості рядів вище чотирьох. Число сателітів в одному ряді переважно шість, хоча для потужних пристроїв з малим діапазоном варіювання їх може бути до 12. Підшипники 6 осей 11 знаходяться на одному кінці поворотних важелів 21, на інших кінцях яких розміщені противаги 12, одна група яких забезпечена роликами 13, що знаходяться у фасонних прорізах 22 диска 14, пов'язаного з вихідним валом 19.
Рис. 1. Схема автоматичної безступінчатим коробки передач автомобіля на основі нового планетарного дискового адаптивного варіатора: 1 - вісь поворотних важелів; 2 - пакет пластин; 3 - водило; 4 - тарілчаста пружина; 5 - внутрішній центральний фрикційний диск; 6 - підшипники сателітів; 7 - сателіт; 8 - фрикціони; 9 - плоска дискова пружина, 10 - зовнішній центральний фрикційний диск; 11 - вісь сателітів, 12 - противага, 13 - ролик, 14 - прорізний диск; 15 - важіль; 16 - пружина, 17 - важільний механізм; 18 - каретка; 19 - вихідний вал, 20 - епіцикл; 21 - поворотний важіль; 22 - фасонна проріз прорізного диска; ЖСМ - рідкий мастильний матеріал.
Поворотні важелі 21 сидять на осях 1, закріплених в воділе 3. Ролики 13 віджимаються на периферію пружинами 16, зусилля яких може змінюватися примусово за допомогою важільного механізму 17, вплив на який здійснюється важелем 15 через систему вижимні підшипників. Важіль може пересуватися як вручну, так і за допомогою підсилювачів, що мають пружну характеристику (наприклад, пневмокамер, керованих від пневмосистеми автомобіля). Слід зазначити, що варіатор є прогресивним і без механізму зміни зусилля пружин. Але тоді він буде мати всього одну «м'яку» робочу характеристику, наприклад, як в гидротрансформатора або електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням. Описаний механізм зміни зусилля пружин (як у бік його зменшення, так і збільшення) змінює лише ступінь «м'якості» характеристики варіатора, дозволяючи працювати на будь-якому режимі, що особливо важливо для автомобільної автоматичної трансмісії. У такому випадку важіль 15 буде пов'язаний з педаллю керування швидкістю автомобіля, з додатковим підсилювачем або без нього.
Крутний момент від маховика двигуна до первинного валу коробки передач передається через пакет круглих сталевих пластин 2, при цьому функції зчеплення виконують фрикціони 8. При затиску правого пакету фрикціонів гальмується епіцикл 20, що в сукупності з переміщенням каретки 18, пов'язаної телескопічно з вихідним валом 19, вліво дозволяє отримати передачі переднього ходу. Для отримання передач заднього ходу затискається лівий пакет фрикційних, при цьому гальмується водило 3. Епіцикл 20 обертається в сторону, протилежну обертанню первинного валу і з'єднується з вихідним валом переміщенням каретки 18 вправо. Нейтралі відповідає проміжне або центральне положення каретки 18.
При зміні крутного моменту на вихідному валу 19, ролик 13, що знаходиться до цього в прорізи 22 у урівноваженому стані, під дією зусиль пружин 4, 9, 16, тангенціальних зусиль робочого моменту і інших зусиль у механізмі варіатора, змінює своє положення в прорізи, змінюючи при цьому передавальне відношення. Натискні пружини 4 і 9 при цьому пружно деформуються за рахунок розклинюючого дії сателітів, що при обертанні фрикційних дисків пов'язано з незначним опором тертю, і маючи спеціально підібрані характеристики «сила-деформація», забезпечують оптимальний за ККД натиск фрикційних дисків, з запасом β = 1 , 25 ... 1,5. Проріз 22 може бути виконана і такого профілю, коли вона лише зменшує або повністю усуває зусилля перекладу ролика 13 при зміні передатного відношення. Таким чином, властивість прогресивності є як би «уродженим» властивістю, властивою конструкції варіатора, і досягається лише підбором форми прорізи 22 і жорсткості пружини 16.
Слід відзначити також оптимізований автоматичний притиск фрикційних дисків, що залежить від передавального варіатора. Це дозволяє враховувати змінюється коефіцієнт упругогідродінаміческого (УГД) тертя у фрикційних контактах, який також залежить від передавального варіатора. Такий спосіб притиску фрикційних елементів варіатора, будучи найбільш простим з відомих, дозволяє оптимізувати його по ККД стосовно сучасної автоматичної системи керування швидкістю автомобіля. Система ця розроблена в МГТУ «МАМІ» під керівництвом проф. В.В. Селіфонова, і суть її коротко виражається в тому, що основну частину роботи автомобіля управління швидкістю машини ведеться при найбільш економічної (практично повної) подачі палива у двигун тільки за рахунок зміни передавального відношення варіатора. Дозволимо собі доступно пояснити суть цього способу на прикладі автомобіля з звичайною ступінчастою коробкою передач. Припустимо, що найбільша швидкість автомобіля, відповідна максимальної потужності двигуна, досягається на прямій передачі в коробці передач, тобто коли на головну передачу надходить частота обертання двигуна. Якщо ми включаємо так звані «підвищують» або правильніше «економічні» передачі, допустимо 0,9, 0,8, 0,7 і т.д., то швидкість руху автомобіля, як відомо, знижується, а економічність - підвищується. Частота обертання колінчастого валу двигуна при цьому також знижується. Зрозуміло, з деякими нюансами в системі подачі палива, особливо ефективними для дизелів і двигунів з безпосереднім уприскуванням, економічність автомобіля (зниження колійного витрати палива) підвищиться аж до досягнення нестійких частот обертання колінчастого валу. Таким чином, управління швидкістю ведеться, з першого погляду, парадоксальним чином - для зниження швидкості включаються все більш «вищі» передачі (тобто передавальне відношення знижується), а для підвищення швидкості передавальне відношення підвищується.
Розрахунок показує, що для легкових автомобілів, такий «економічний» спосіб регулювання швидкості може застосовуватися починаючи з 50 ... 70 км / год, для вантажних - з 20 ... 30 км / год, а для міських автобусів - з 10 .. .15 км / ч. До цих швидкостей доведеться працювати на часткових режимах подачі палива і при «звичайному» відповідно швидкості та передачі в коробці. Варто було б відзначити, що і зараз на звичайних автомобілях зі ступінчастими коробками передач ми робимо практично те ж саме - рушаючи з місця і досягаючи максимуму швидкості ми знижуємо передавальне число в коробці передач, але й навіть, включаючи «овердрайв», ми продовжуємо знижувати передавальне число , але зменшуючи при цьому швидкість автомобіля. При цьому, якщо порівняти, скажімо, рух на швидкості 100 км / год по шосе на легковому автомобілі з потужним двигуном, в першому випадку досягається зменшенням подачі палива, а в другому - включенням відповідного «овердрайва», тобто економічної передачі, то шляхової витрата у другому випадку може зменшитися майже на третину. Але з огляду на те, що цих «економічних» передач зазвичай небагато, ми, на жаль, в більшості випадків так швидкістю автомобіля не керований. А варіатор надає нам безліч цих «економічних» передач!
Так от, повертаючись до оптимізованому натиску фрикційних тел нового варіатора, залежному від його передавального відносини, відзначимо, що для практично постійного моменту двигуна при такій системі управління швидкістю цей спосіб тиску підходить ідеально. З огляду на те, що найбільші коливання коефіцієнта запасу по зчепленню β в 1,5 ... 2 рази практично не відбиваються на ККД варіатора, коливання моменту двигуна при повній подачі палива, але різних частотах обертання, також не відіб'ються на згаданому ККД. На часткових же режимах ККД варіатора може трохи (на 2 ... 3%) зменшитися через підвищення β, але це зменшення буде непомітно з-за сильного зменшення ККД двигуна на цих режимах. До того ж сучасний спосіб регулювання швидкості автомобіля з безступінчатим передачею залишає роботі двигуна на часткових режимах дуже малу роль.
Для підтвердження згаданих особливостей нового варіатора і визначення можливостей виготовлення автоматичної безступінчатим коробки передач на його основі для автомобілів ЗІЛ і в першу чергу для автобуса ЗІЛ-3250 на АМО ЗІЛ був виготовлений досвідчений зразок такого варіатора. Для зручності випробувань варіатор був укомплектований асинхронним електродвигуном і навантажувальним пристроєм на вихідному валу варіатора, що дозволяють знімати робочі характеристики варіатора.
Схема випробувань варіатора представлена на рис. 2. Варіатор 4 разом з асинхронним електродвигуном 5 і навантажувальним гальмом 3 встановлені на станині 9. Регулювання адаптивності варіатора здійснюється важелем 6. Момент на нагрузочном гальмі 3, регульований гвинтом 2, вимірювався динамометром розтягування 1; частота обертання вхідного вала варіатора (валу електродвигуна) - тахометром 8, а вихідного вала варіатора - тахометром 10; струм електромотора (для контролю крутного моменту входу) - амперметром 7. До випробувань варіатора подібним же чином був випробуваний безпосередньо сам електродвигун, а потім разом з варіатором без фрикційного торкання дисків. За отриманими даними будувалася тарувальна характеристика електродвигуна - крутний момент на його валу в залежності від струму і частоти обертання, а також така характеристика з урахуванням барботажних втрат (мастило варіатора здійснювалася моторним маслом М-8 зануренням).
Рис. 2. Схема випробувань мотор-варіатора: 1 - динамометр розтягування; 2 - регулювальний гвинт, 3 - навантажувальний гальмо; 4 - варіатор; 5 - асинхронний електродвигун; 6 - важіль регулятора адаптивності; 7 - амперметр; 8 і 10 - тахометри; 9 - станина
За даними, отриманим при випробуванні варіатора з урахуванням тарувальних даних з контролем крутного моменту електродвигуна за двома параметрами - току і частоті обертання, були побудовані основні характеристики - залежність крутного моменту Т на вихідному валу і ККД варіатора η від частоти обертання n вихідного валу і передавального відносини варіатора i (рис. 3). Регулятор адаптивності для простоти виконаний тільки збільшує «м'якість» характеристики T = f (n), але для використання на автомобілі він буде і зменшувати цю «м'якість».
Рис. 3. Експериментальна залежність ККД η варіатора (1) і крутного моменту T на вихідному валу (2) і від частоти обертання n вихідного валу і передавального відношення i варіатора
На малих передавальних відносинах ККД даного варіатора завдяки його планетарної схемою, прагнучи до 100% при передатному відношенні дорівнює одиниці, дуже висока, що особливо важливо для автомобільної трансмісії. Слід зауважити, що ККД досвідченого зразка варіатора, потужність якого в десятки разів менше потужності переданої автомобільної коробкою передач, природно, менше, ніж повнорозмірною конструкції. До того ж мастило тут здійснювалася зануренням, що для планетарних передач неекономічне, і в варіаторной коробці передач вона замінена струменевого подачею рідкого мастильного матеріалу (ЖСМ). Тим не менш, при малих передавальних відносинах - від 1,3 до 2, що відповідає частотах обертання n = 1100 ... 700 об / хв, ККД змінюється від 0,96 до 0,90, що достатньо багато. Значення ККД, рівне η = 0,75, досягається при передатному відношенні рівному i = 7, що відповідає троганию з місця автомобіля. Для реальної повнорозмірною конструкції, значення ККД при вищому передатному відношенні очікується близько 0,80 ... 0,85.
Дисковий варіатор ідеально підходить для використання його за планетарної схемою, так як всі фрикційні робочі елементи (диски) обертаються в одній площині і не виникає шкідливих гіроскопічних явищ, згубних для опор сателітів. Жоден варіатор іншого типу - тороїдальний, кульовий, конструкції Є.І. Пирожкова і т.д. настільки не підходить до планетарної схемою, як дисковий, із зазначеної причини. Варіатори з гнучким зв'язком (ремінний, ланцюговий) взагалі не можуть працювати за планетарної схемою, а планетарна схема в порівнянні зі схемами із зупиненим водилой (звичайними схемами) забезпечує зниження втрат на вищих передачах не менше ніж втричі, що особливо важливо для автомобілів.
Додамо, що використання для варіатора в якості ЖСМ замість мінеральних масел спеціальних робочих рідин - трактантов, більш ніж в 1,5 рази підвищує несучу здатність варіатора тих же типорозмірів, додатково підвищує ККД, знижує ковзання, істотно підвищує довговічність фрикційних пар. Але навіть при мастилі звичайними мінеральними маслами ця довговічність досягає 25000 і більше годин, що відповідає пробігу близько 1 млн. км, що доведено численними випробуваннями дискових варіаторів.