Нурбія Гулиа, Мартін Ференц, Сергій Юрков
Механічні безступінчатий передачі - варіатори, останнім часом знаходять собі все більше застосування на автомобілях. В основному, це варіатори з гнучким ланкою - тягне або штовхає, які з ряду причин мають обмежені перспективи в якості коробок передач автомобілів. На наш погляд, у цій якості перспективні планетарні дискові варіатори, що мають у порівнянні зі згаданими істотно більші довговічність, ККД на вищих передачах, простоту і компактність. Докладний порівняльний аналіз варіаторів - дискових і з гнучким ланкою, як і опис принципу дії нового планетарного дискового варіатора, викладені в статті Н. В. Гулиа, А. Є. Власова та С. А. Юркова «Механічна безступінчата передача для вантажних автомобілів і автобусів . Перспективи використання ».
Компактність нових варіаторів, циліндричної їх форми, органічно властива їм Автоматичність, а також дистанційне керування режимом («жорсткістю») цієї автоматичності, дозволяють вбудовувати варіатор в маточину ведучого колеса автомобіля, в тому числі і спільно з бортовою заниженою передачею. У результаті виходить новий тип ведучого колеса автомобіля, названий нами скорочено варіоколесом, і що володіє оригінальними експлуатаційними властивостями, що підвищують споживчі властивості автомобіля і його конкурентноздатність. На нашу думку, це, в основному, стосується автомобілів з кількома провідними осями, тягачів спеціального призначення, в тому числі і землерийних машин, а також автобусів, тобто тих автомобілів, де вважається перспективним використання електричних або гідравлічних мотор-коліс.
Якщо порівнювати варіоколеса з мотор-колесами, то вони забезпечують подібні експлуатаційні переваги - безступінчата зміна частоти обертання і моменту колеса, відсутність потреби в міжколісних і міжосьових диференціалах при збереженні безперервного тягового зусилля на колесах, застосування, за необхідності, незалежної підвіски ведучих коліс. При цьому якщо варіоколесо загалом, вимагає дещо ускладненого підведення потужності в порівнянні з мотор-колесами, то набагато менше габарити, маса, складність, вартість пристрою, як вбудованого в колесо, так і наявного на шасі (генератор або насос, перетворювачі, система управління), а також істотно більший ККД, є безсумнівними перевагами варіоколеса.
Як буде показано нижче, підведення обертання при досить низьких моментах, менше моменту двигуна без коробки передач, до варіоколесу, не потребує простору помітно більшого, ніж підведення потужності проводами або по трубах рідиною. У принципі, можливе підведення потужності і гнучкими валами в рукавах, навіть зовні мало відрізняються від кабелів або гнучких шлангів.
З огляду на те, що автори не є фахівцями з багатовісних автомобілів і транспортної спецтехніці, і займаються, в основному, автобусами, тут будуть розглянуті, головним чином, перспективи використання варіоколес для міських автобусів, і лише частково згадані ці перспективи для інших видів транспортних засобів. Зокрема, особливі зручності і перспективи представляють варіоколеса для автомобілів, тракторів і тягачів, що мають великі колеса, наприклад, великих самоскидів, тягачів, бульдозерів, скреперів і т.д.). Крутний момент, переданий варіатором, залежить від куба його діаметра, тому для великих коліс можливо використання навіть однодискових варіаторів без додаткового бортового редуктора. Потужність, що передається дисковими варіаторами може досягати 500 і вище кВт для одного агрегату.
Варіоколесо на основі двосхилих бездискових коліс для шин типу 12.00-20 (типових для великих міських автобусів типу «Ікарус»), представлено на рис.1.
Рис. 1. Варіоколесо на основі двосхилих бездискових коліс (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)
Нізкомоментная, тобто розрахована на номінальний крутний момент, приблизно половинний від крутного моменту двигуна, піввісь 1 призводить у обертання центральні фрикційні диски 2, стискувані пакетом тарілчастих пружин 3. Проміжні конічні диски 4, вісь 5 що, сполучена з водилой 6, контактують також з нерухомими зовнішніми фрикційними дисками 7, посадженими в корпус 8 і стисливими плоскими дисковими пружинами 9. (Конструкція даного варіатора захищена патентом України № 2140028 від 26.05.98, автор Н. В. Гулиа). Крутний момент від водила 6 через систему автоматичного регулювання з примусовою установкою режимів передається на прорізний диск 10 (вихідна ланка варіатора) штатного бортового планетарного редуктора. Полумуфта 11 виконана з можливістю примусового виведення із зачеплення за допомогою гвинта 12.
Система автоматичного регулювання варіатора, захищена патентом № 2138710 від 16.06.98. (Автор Н. В. Гулиа), заснована на рівновазі сил, що діють з боку фасонних прорізів у прорізним диску 10 і пружин стиснення 13 на ролики 14, осі яких з'єднані з поворотними важелями 15, що переміщають осі 5 проміжних дисків 4 в радіальному напрямку, що викликає зміна передавального відношення варіатора. Режим автоматичного регулювання залежить від поджатия пружин 13, здійснюваного сервомотором 16, в даному випадку типу Д-400В, потужністю 400Вт при 8000об/мін (24В), з планетарним або хвильовим знижувальним редуктором 17 з передавальним відношенням 150 і конічною передачею 18, що приводить гвинти 19 системи управління з гайкою 20. Слід зауважити, що ця система передбачає і суто примусове регулювання передавального відношення варіатора, що доцільно при низьких (повзучих) швидкостях руху машини.
При крайньому периферійному (верхньому) положенні дисків 4 понижуючий передавальне відношення даного варіатора - 9,91, а при їх центральному (нижньому) положенні - 1,27. Понижувальний передавальне відношення бортового редуктора - 3,7, і таким чином загальне передавальне відношення механізму варіоколеса варіюється між 36,7 і 4,7. Якщо брати частоту обертання півосі при рушанні з місця 800об/мін, то при максимальному передатному відношенні варіоколесо буде обертатися з частотою близько 20об/мін (з урахуванням неминучого ковзання в передачі) і швидкість автобуса буде при цьому близько 1м / с або 3,6 км / ч, що відповідає реальним умовам рушання з місця. При частоті обертання півосі - 2000об/мін і мінімальному передатному відношенні швидкість автобуса близько 22м / с або 76 км / год, що досить для міського автобуса.
Розрахунковий ККД варіатора при рушанні автобуса з місця близько 0,8, а при максимальній швидкості - 0,96, що випливає з планетарної схеми варіатора і реальних значень ККД фрикційних контактів дискового варіатора. Описуваний варіатор розрахований на момент входу 600Нм, при цьому максимальне тягове зусилля на колесі може досягати 3,5 ... 40кН, що при навантаженні на провідну вісь 9т знаходиться на межі зчеплення. Такі тягові можливості раціональні для вантажних автомобілів і машин підвищеної прохідності, а для автобусів набагато перевершують необхідні значення. При цьому слід зазначити, що контактні напруги в варіаторі досягають лише половинних від допустимих, залишаючи резерв майже восьмикратного підвищення передаваного моменту, або зменшення вдвічі діаметра варіатора, що випливає з точкового вихідного контакту передачі. ККД варіатора, правда, при цьому дещо падає.
Система управління може забезпечувати примусове регулювання передавального відношення при швидкостях руху до 10км/час з високою точністю витримування швидкості (маневрування на стоянках і т.д.) і автоматичною корекцією передавальних відносин лівого і правого варіоколес в залежності від кута повороту керованих коліс. При регулярному русі автобуса регулюванню піддається тільки режим автоматичного управління: при сильному стиску пружини 13 він «жорсткий», тобто передавальне відношення варіатора слабо підвищується при зростанні дорожніх опорів; при слабкому стисканні пружини 13 він «м'який», тобто передавальне відношення варіатора, і пов'язана з ним швидкість руху машини, сильно змінюється зі зростанням дорожніх опорів. При цьому повороти машини не вимагають міжколісних диференціалів в трансмісії, тому що невелика зміна частот обертання коліс викличе на будь-якому режимі лише слабке зміна тягових зусиль на колесах, що майже не позначиться на кінематиці і динаміці повороту. При можливості прослизання коліс (наприклад, при ожеледі) ця властивість буде грати лише позитивну роль, як і у випадку м'яких грунтів для машин підвищеної прохідності, як би замінюючи диференціал підвищеного тертя. Зауважимо, що на відміну від більшості автоматичних передач, тут градацій регулювання режимів руху може бути як завгодно багато. Сервомотор при цьому включається тільки для зміни режиму руху, тобто досить рідко.
Як і мотор-колеса, варіоколеса можуть використовуватися як для звичайних схем силових агрегатів з приводом тільки від двигуна, так і для гібридних схем, що включають накопичувач енергії. На наш погляд, в гібридних схемах як з тепловими двигунами, так і з паливними елементами в якості основних джерел енергії, в якості накопичувачів енергії доцільно використання накопичувачів механічної енергії - супермаховиков. Для випадків використання теплових двигунів, що виділяють енергію у вигляді обертання вала, і споживанні цієї енергії у вигляді обертання півосі ведучого колеса, доцільність використання накопичувача, де енергія запасається також у вигляді обертання - супермаховика, очевидна. Для випадків ж використання паливних елементів ця доцільність обгрунтована в статті Н. В. Гулиа і С. А. Юркова «Нова концепція електромобіля». Слід зауважити, що і для згаданої концепції використання варіоколес еквівалентно використанню варіатора в трансмісії, причому перше кращий для електробуса з умов перегляду.
Рис. 2. Принципова схема гібридного силового агрегату автомобіля (автобуса) з використанням варіоколес (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)
Принципова схема найбільш загального випадку - гібридного силового агрегату автомобіля (автобуса) з використанням варіоколес представлена на рис.2. Тут двигун 1 зі зчепленням 2 призводить у обертання як провідну шестірню 3 головної передачі, так і супермаховик 4 через відповідну передачу з муфтою зчеплення. Головна передача містить реверс у вигляді зубчастої або кулачковою муфти 5, підключає Півосьові колеса переднього 6 або заднього 7 ходу до півосі 8, приводить варіоколеса 9. В серединній положенні муфти 5 включена нейтраль.
Вище вже було згадано, що передавальне відношення головної передачі близьке до одиниці, тому момент на ній і її габарити досить невеликі; зокрема, момент, переданий полуосью практично вдвічі менше моменту на первинному валу трансмісії після зчеплення. Для порівняння можна зазначити, що конічні колеса 3, 6 і 7 за розмірами близькі до провідних шестерням головних передач легкових автомобілів, розрахованих на близький крутний момент. Аналогічні розміри будуть мати і підшипники цих коліс; таким чином простір по висоті, займане даної головною передачею - реверсом цілком може вписатися в товщину підлоги автобуса, тобто висоту несучих елементів.
Тут не розглядається принцип роботи гібридного силового агрегату автомобіля, про це можна прочитати, зокрема, в журналі «Вантажівка ...» (№ 1, 2000р.) У статті Н. В. Гулиа і С. А. Юркова «Гібридні силові агрегати автомобілів », де наводиться їх докладний аналіз. Зауважимо, що для перетворення гібридної схеми в звичайну слід лише усунути супермаховичного накопичувач і відповідний привід до нього. Двигун в цьому випадку буде приблизно в 2 рази потужніший, ніж у гібриді. Для перетворення схеми по рис.2 в схему електромобіля нової концепції, слід усунути двигун із зчепленням, а супермаховичного накопичувач забезпечити вбудованим розгінним електродвигуном, живиться від будь-якого джерела електроенергії, зокрема, від паливних елементів (стаття Н. В. Гулиа і С.А . Юркова «Нова концепція електромобіля».
Рис. 3. Схема компонування автобуса з мотор-колесами і незалежною підвіскою (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)
Застосування варіоколес може забезпечити істотні компонувальні переваги навіть у порівнянні з мотор-колесами. Розглянемо, наприклад, найбільш перспективну схему компоновки автобуса, що має низький рівень підлоги - всього 320мм, з мотор-колесами і незалежною підвіскою фірми ZF (рис.3). Ширина проходу 900мм - це все, що може забезпечити схема з мотор-колесами. Слід мати на увазі, що генератор і частотні перетворювачі (або інвертори), що мають значні маси і габарити, обов'язково присутні в конструкції.
Рис. 4. Схема компонування автобуса з варіоколесамі і незалежною підвіскою (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)
У схемі з варіоколесамі (рис.4) завдяки малим осьовим розмірами, що не виходять за осьові габарити колеса, при тій же висоті підлоги забезпечується збільшена приблизно на 300мм ширина проходу, усуваються тягові двигуни мотор-коліс, генератор, перетворювачі; підвищується ККД приводу і діапазон зміни крутного моменту, особливо важливі в гібридній схемі, де потрібно подвійне проходження енергії через привід - від накопичувача до коліс і при рекуперації енергії у зворотному напрямку. Максимальний крутний момент, переданий варіатором, значно перевершує створюваний тяговим двигуном даних розмірів, що забезпечує високі тягові зусилля і динаміку машини.
При цьому підведення обертання до варіоколесу 1 може бути здійснено, у разі незалежної підвіски, не залежних від положення статі або змін його висоти (до речі, досить невеликих у регульованою пневмоподвески автобуса). Досягається це фіксацією головної передачі 5 і півосей 2 в підлозі машини 3 та зв'язку їх з вхідним валом варіоколеса хитним циліндричним редуктором 4, як показано на рис.4 справа. Пол може в цьому випадку займати різні по висоті положення щодо дороги, відповідно 3а та 3б, з передачею обертання від півосей на вхід варіоколеса. Обкату циліндричних коліс хитного редуктора, теоретично змінює передавальне відношення від головної передачі але обід колеса, практично не впливає (як і поворот машини) на момент, переданий варіоколесом через «м'якої» характеристики варіатора. Зауважимо, що для машин підвищеної прохідності дана схема може бути «перегорнуто» на 180 градусів і низький кліренс, доцільний для автобусів, замінений на високий, необхідний для хорошої прохідності.
Застосування варіоколес через можливостей нескладного досягнення високих передавальних чисел (бортовим редуктором, варіатором, хитним редуктором) дозволяє використовувати швидкохідні малогабаритні двигуни без ризику збільшення передавального числа і радіальних габаритів головної передачі, зі збереженням її передавального числа, близького до одиниці і виконанням мінімальних радіальних габаритів швидкохідної нізкомоментной головної передачі - реверсу, яку доцільно виконувати конічної з круговим зубом.
Можна вважати перспективним заміну зчеплення двигуна високомоментного синхронізатором з розміщенням зчеплення з пневматичним управлінням безпосередньо в варіоколесе, у вільному просторі між бортовим редуктором і ободом колеса, що має підвищити ресурс всієї трансмісії, так як навантаження її відбувається при вже створилося масляному клині.