Нурбія Гулиа, Сергій Юрков
Останнім часом, у зв'язку з розвитком інверторної техніки і частотного регулювання електромашин, нерідко висловлюється думка про неперспективність варіаторной приводу від електродвигунів з постійною частотою обертання. Дійсно, за допомогою інверторної техніки можна змінювати частоту обертання електродвигунів або отримувати постійну частоту струму від генераторів, що обертаються зі змінною кутовою швидкістю. Але електромашини з інверторним регулюванням аж ніяк не заміняють собою їх же, але з варіаторний приводом.
Справа тут в тому, що електромашини при інверторному регулюванні повинні вибиратися виходячи з максимального крутного моменту, що проходить через них. При заданій потужності це означає, що робота на мінімальних частотах обертання вимагає електромашин з найбільшими габаритно-масовими показниками. Посилює становище знижена ефективність роботи більшості електромашин на низьких частотах струму.
Аналіз показує, що привід з електромашин постійної частоти обертання і варіатором істотно ефективніше приводу від електромашин з частотним регулюванням і машин постійного струму, особливо по масі агрегату, і, зрозуміло, вартості. Так, наприклад, отримати максимальний обертовий момент близько 100Нм при інтервалі робочих частот обертання 200...2200об/мін можна за допомогою мотор-варіатора з асинхронним електродвигуном потужністю 2,2 кВт загальною масою 30 кг, електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням потужністю 3кВт і масою 125кг , а також асинхронного електродвигуна з частотним регулюванням потужністю 30 кВт з інвертором загальною масою близько 200 кг. При цьому ККД установок з асинхронним електродвигуном порівняємо і коливається між 0,7 і 0,8 в залежності від крутного моменту, а у електродвигуна постійного струму він сильно падає, приблизно до 0,3 при максимальному моменті.
Перевага варіаторной приводу найбільш виразно спостерігається при великих потужностях приводу, коли маси агрегатів істотні, або коли є жорсткі обмеження до мас агрегатів. Наприклад, згідно з розрахунками, наявність варіатора замість інверторного регулювання на потужних, порядку мегавата і більше, вітроустановках дозволяє знизити масу генератора в 2 ... 3 рази, а вона зараз близько 10 тонн і вище. Маса ж генератора істотно впливає на масу і вартість вишки вітроустановки висотою близько 120м. До того ж вітроустановки зазвичай працюють при потужностях менше 25% від установчої, а ККД інверторів за таких недовантаження набагато менше, ніж у описуваного варіатора з оптимізованим, залежних від потужності натиском (сказане відноситься до німецьких вітроустановки, з якими автори знайомі по роботі).
Дуже корисний в розумінні цього питання приклад з автомобільної техніки. Відомо, що двигун автомобіля, також як і електромашина з частотним регулюванням, дозволяє змінювати частоту обертання в широких межах регулюванням подачі палива. Проте спроба обійтися в приводі автомобіля без коробки передач, байдуже, ступінчастою або безступінчатим, призвела б до добре зрозумілому результату - двигун став би мати масу, порівнянну з іншою частиною автомобіля. Або автомобіль став би розганяти з інтенсивністю товарного поїзда.
Прототипом нового варіатора є з нашої точки зору найбільш перспективний планетарний дисковий варіатор за патентом Великобританії № 1384679, F16H15/50, 19.02.75г. довгий час успішно випускається, зокрема, німецькою фірмою «Lenze» під назвою «Disco» (рис.1).
Рис. 1. Варіатор «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 електродвигуна
На валу 10 електродвигуна встановлено внутрішнє сонячне колесо 8, що обертається з практично постійною кутовою 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 осях 5. Сателіти вільно переміщаються в радіальному напрямку в гніздах диска 3, через який крутний момент передається на ведений вал 1.
Зміна передавального відношення в варіаторі «Disco» проводиться при працюючій передачі примусово, шляхом обертання через гвинтову або черв'ячну передачу. При обертанні натискного кільця муфти, що має як і нерухоме кільце 2, хвилеподібний профіль, відбувається його переміщення в осьовому напрямку, внаслідок чого змінюється зазор між натискним і наполегливою кільцями. При зменшенні зазору сателіти видавлюються до центру, стискаючи пакет пружин 9. Передаточне відношення варіатора при цьому зменшується. При обертанні натискного кільця в іншу сторону зазор збільшується і проміжні конічні диски під дією пакету пружин спрямовуються на периферію, підвищуючи передавальне відношення.
Слід зауважити, що останні серії варіаторів «Disco» забезпечені сервосистеми з додатковим двигуном і приводом для автоматичної зміни передавального відношення, наприклад, в залежності від моменту опору на вихідному валу.
Планетарна схема варіатора крім високої компактності забезпечує підвищені значення ККД, особливо на малих передавальних відносинах, близьких до одиниці (нагадаємо, що при передатному відношенні, що дорівнює одиниці весь планетарний механізм працює як одне ціле без втрат на прокручування). Це властивість особливо важливо для автомобілів, так як найбільші потужність двигуна і час роботи тут відбувається саме на таких передавальних відносинах, званих в автомобілебудуванні «вищими». Слід зазначити, що саме дисковий варіатор, на відміну від варіаторів інших типів, найкращим чином підходить для планетарної схеми, тому що всі його робочі елементи обертаються в одній площині і не схильні вельми високим гіроскопічним впливів, яке згубно впливає на підшипники сателітів. Варіатори ж з гнучким зв'язком практично непридатні для використання за планетарної схемою. За своєю несучої здатності та експлуатаційних показників - це один з кращих воротарів.
Однак варіатор «Disco» властиві такі суттєві недоліки, аналіз яких необхідний для розуміння роботи нового варіатора.
Неможливість підвищення передаваного крутного моменту і потужності шляхом простого збільшення числа рядів дисків, так, як це робиться в багатодискових варіатора. Це відбувається через те, що зовнішні та внутрішні центральні фрикційні диски при зміні передатного відношення переміщуються в протилежних напрямках. Наприклад, при зближенні зовнішніх дисків, внутрішні розсуваються, і навпаки.
Зовнішні та внутрішні фрикційні диски представляють собою жорсткі, практично не деформуються в осьовому напрямку елементи, через що зусилля натиску сприймають при шести сателітах лише 70% точок контакту. Це викликає падіння ККД і що допускаються контактних напружень, підвищує ймовірність заїдань і вимагає дуже точного виконання дисків-сателітів по товщині (жорсткий допуск на різнотовщинність), що підвищує вартість виробу.
Вельми несприятливі умови натиску фрикційних дисків, пов'язані зі способом регулювання передавального відношення. Натиски у зовнішньому і внутрішньому фрикційних контактах без обліку відцентрових впливів у цих варіатора однакові, причому вони підвищуються при збільшенні частоти обертання вихідного валу, тобто при зменшенні передавального відносини («витискуванні» сателітів до центру). У цьому ж положенні максимальні відцентрові ефекти сателітів, додатково істотно навантажують їх зони контактів з внутрішніми дисками. Аналіз показує, що необхідні, тобто оптимальні натискні зусилля прямо протилежні наявним, через що при малих передавальних відносинах сильно - в десятки разів - перевантаженими виявляються контакти сателітів із зовнішніми дисками. Наслідки цих пережимів видно з рис.2, на якому наведені експериментальні залежності ККД варіатора «Disco» і нового планетарного дискового прогресивного варіатора від частоти обертання вихідного валу. Найбільше падіння ККД спостерігається у варіаторів «Disco» в найбільш використовуваному, особливо для автомобілів, режимі максимальних частот обертання вихідного валу (мінімальних передавальних відносин).
Рис. 2. Експериментальні графіки залежності ККД від частоти обертання вихідного валу: 1 - нового планетарного дискового прогресивного варіатора; 2 - варіатора «Disco» фірми «Lenze»
Спосіб регулювання передавального відношення варіаторів «Disco», визначається їх конструкцією, непридатний для їх використання на автомобілях та інших машинах з динамічним зміною режимів роботи. Крім несприятливих умов натиску дисків, що викликаються цим способом, навіть за наявності сервосистеми зміни передавального відношення, системи датчиків і електронного блоку управління, реакція механізму на збільшення зусилля притиску зовнішніх дисків (а саме так відбувається зміна передавального відношення) настає дуже нескоро. Переміщення сателітів відбувається через пружних деформацій сталевих жорстких дисків і здійснюється дуже повільно - до 250 секунд. Оперативного зміни передавального відносини шляхом безпосереднього переміщення сателітів тут здійснити не можна.
Тим часом сама планетарна схема дискового варіатора настільки перспективна в порівнянні з іншими варіаторами, що автори вважали за доцільне створити на цій основі варіатор, позбавлений зазначених недоліків і забезпечує наступні корисні властивості.
Багатодискове конструкції при суміщенні по осі зовнішніх і внутрішніх рядів фрикційних дисків. Це дозволить підвищувати несучу здатність варіатора пропорційно числу рядів дисків при незначному збільшенні його габаритів по довжині.
Рівномірність притиску всіх зон контактів при будь-якій кількості сателітів, що дозволяє уникнути заїдань при високих значеннях контактних напруг, допустимих для точкового початкового контакту. Досягається це використанням пружно-податливих центральних фрикційних дисків, що компенсують різнотовщинність сателітів.
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. Аналіз показує, що для великої кількості найважливіших застосувань варіаторів цей спосіб притиску фрикційних елементів найбільш підходить.
Це відноситься, наприклад, до приводів від електромашин змінного струму з практично постійною частотою обертання. Забезпечуючи найкращі показники при максимальній потужності, такий спосіб притиску практично не знижує ефективності і при зменшенні споживаної потужності в 2 ... 3раза, так як пережив у це число раз дуже незначно знижує ККД (порівняйте з пережимів в десятки разів у варіаторів «Disco») .
Це ж відноситься до найбільш масовому і перспективному споживачеві варіаторів - автомобілю. Не вдаючись у нюанси цього досить складного питання, відзначимо, що на режимах повної подачі палива, а саме на цих режимах працюють сучасні системи автомобільних трансмісій з варіаторами, залежність притиску дисків від передавального найбільш ефективна. На часткових режимах подачі палива передбачається працювати тільки в рідкісних випадках, та і при цьому ККД самого двигуна знижується настільки різко, що незначне зниження ККД варіатора через перетискання дисків тут виявиться практично непомітним.
На таких потенційно масових споживачах варіаторів з високим ККД як вітроелектростанції, передбачуваний спосіб тиску найкращий, тому що тут всі силові параметри варіатора, в тому числі і натиск, залежать від частоти обертання вітроколеса, а це при постійній частоті обертання генератора означає, що і від передавального відносини варіатора.
Головне, на наш погляд, властивість - це саморегулівної, адаптивність, або використовуючи застосовуваний для варіаторів термін - «прогресивність». Це властивість особливо цінно тоді, коли воно досягається не використанням додаткових складних, дорогих і ненадійних силових сервосістем з датчиками, електронними блоками управління та серводвигунами з виконавчими механізмами, а органічно властиво даної конструкції варіатора. Це досягається в конструкції нового варіатора об'єднанням систем натиску і зміни передавального відношення. До того ж передбачена можливість примусового (за бажанням оператора) зміни на ходу ступеня цієї прогресивності або «м'якості» залежності частоти обертання від моменту опору на виході. Зрозуміло, передбачено і безпосереднє примусове зміна передавального відношення, в тому числі в ряді випадків і на нерухомому варіаторі, що принципово неможливо на варіатор «Disco» і на переважній більшості інших фрикційних варіаторів.
Ці властивості нового варіатора, робота над якими ведеться в Московському державному університеті індустріальному (МГИУ) близько 20 років, відображені в патентах Росії [1, 2].
Принципова схема варіатора представлена на рис.3. На цій схемі варіатор включає всього два ряди центральних фрикційних дисків - нерухомих зовнішніх 9, встановлених у корпусі 18, і внутрішніх 5с затиснутими між ними сателітами 7 за допомогою тарілчастих (або просто плоских дискових) пружин 4 і 8, відповідно. Проте за схемою зрозуміло, що цих рядів може бути як завгодно багато, скільки витримають по міцності і жорсткості показниками осі сателітів 10, і їх підшипники 6. Не виключаються й проміжні підтримуючі опори на осях 10, переважно за кількості рядів вище чотирьох. Число сателітів в одному ряді переважно шість, як і в варіатор «Disco», хоча для потужних пристроїв з малим діапазоном варіювання (наприклад, для потужних вітроустановок), їх може бути до 12. Підшипники 6 осей 10 знаходяться на одному кінці поворотних важелів 19, на інших кінцях яких розміщені противаги 11, одна група яких забезпечена роликами 12, що знаходяться у фасонних прорізах 20 диска 13, пов'язаного з вихідним валом 17.
Рис. 3. Схема нового планетарного дискового прогресивного варіатора: 1 - вісь поворотних важелів; 2 - водило; 3 - вхідний вал, 4 - тарілчаста пружина; 5 - внутрішній центральний фрикційний диск; 6 - підшипники сателітів; 7 - сателіт; 8 - плоска дискова пружина, 9 - нерухомий зовнішній центральний фрикційний диск; 10 - вісь сателітів, 11 - противага, 12 - ролик, 13 - прорізний диск; 14 - важіль; 15 - пружина, 16 - важільний механізм, 17 - вихідний вал; 18 - корпус-епіцикл * 19 - поворотний важіль; 20 - фасонна проріз прорізного диска; ЖСМ - рідкий мастильний матеріал.
Поворотні важелі 19 сидять на осях 1, закріплених в воділе 2. Ролики 12 віджимаються на периферію пружинами 15, зусилля яких може змінюватися примусово за допомогою важільного механізму 16, вплив на який здійснюється важелем 14. Важіль може пересуватися як вручну (наприклад, за допомогою гвинтового механізму, якщо потрібно примусово встановлювати потрібні передавальні відносини), так і за допомогою підсилювачів, що мають пружну характеристику (наприклад, пневмокамер, керованих від пневмосистеми). 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 14 буде пов'язаний з педаллю керування швидкістю автомобіля, з додатковим підсилювачем або без нього.
При зміні крутного моменту на вихідному валу 17, ролик 12, що знаходиться до цього в прорізи 20 в урівноваженому стані, під дією зусиль пружин 4, 8, 15, тангенціальних зусиль робочого моменту і інших зусиль у механізмі варіатора, змінює своє положення в прорізи, змінюючи при цьому передавальне відношення. Натискні пружини 4 і 8 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 20 може бути виконана і такого профілю, коли вона лише зменшує або повністю усуває зусилля перекладу ролика 12 при зміні передатного відношення. Таким чином, властивість прогресивності є як би «уродженим» властивістю, властивою конструкції варіатора, і досягається лише підбором форми прорізи 20 і жорсткості пружини 15.
Дослідний зразок описаного варіатора у вигляді мотор-варіатора був розрахований і спроектований авторами даної роботи і виготовлений на АМО ЗІЛ зі спільного тематичним планом з Московським державним індустріальним університетом (МГИУ). При розрахунку варіатора були використані створені за участю авторів методики і програми [3]. Проектування варіатора здійснювалося в системі тривимірного моделювання CATIA (рис.4). Зауважимо, що дослідний зразок мотор-варіатора, що має самостійне значення для загальнопромислового призначення, для АМО ЗІЛ є першим етапом створення автоматичної безступінчатим коробки передач, зокрема для автобуса ЗІЛ-3250.
Рис. 4. Ізометрия мотор-варіатора
Для випробувань мотор-варіатор був забезпечений гальмівним пристроєм з водяним охолодженням гальмівного барабана і з можливістю регулювання гальмівного моменту (мал. 5).
Рис. 5. Загальний вигляд мотор-варіатора з гальмівним пристроєм
Випробування дослідного зразка показали, що варіатор дійсно є прогресивним, маючи «м'яку» характеристику, представлену на рис.6.
Рис. 6. Залежність крутного моменту на виході Мвих від частоти обертання вихідного валу n2 і передавального відношення i мотор-варіатора
При цьому на високих передавальних відносинах, в даному випадку кінематичному, рівному i = 9, а реальному близько i = 13, прослизання досягало 35%, а значення переданого крутного моменту все зростало. Цю незвичайну «живучість» фрикційного варіатора ми пояснюємо високим значенням фактора кружляння при високих передаточних відносинах даного варіатора. Схожий ефект зростання коефіцієнта УГД-тертя при високих значеннях прослизання і фактора кружляння був отриманий проф. H. Vojacek в трибологических лабораторії в м. Гмунден, Німеччина [4]. Як відомо, при малих значеннях фактора кружляння вже невеликі значення ковзання викликають падіння коефіцієнта УГД-тертя і буксування фрикційної передачі, що показано численними випробуваннями на роликових стендах.
Концепція нового прогресивного варіатора в його автомобільному призначення як автоматична безступінчатим коробки передач була описана в [5, 6], в якості складової частини автомобільного гібрида в [7, 8], і в якості нового перспективного типу рушія автомобіля, де варіатор вбудований в маточину провідного колеса - варіоколеса, в [9].
Найбільш великою спроектованої конструкцією на основі розробленого варіатора є варіатор-мультиплікатор для вітроустановки потужністю 680кВт. Слід зауважити, що здвоєний варіатор такої потужності з одним механізмом управління, розташованим в середині, може передати потужність 1,5 МВт, що достатньо для найпоширенішою в перспективі моделі вітроустановки. Слід зазначити, що як потужність, що передається через кожну зону контакту при цьому, так і особливо потужність втрат, що переходить в тепло, тут значно менші, ніж здатна передати зона контакту навіть меншого розміру, що показано випробуваннями на стендах [10].
У якості рідкого мастильного матеріалу (ЖСМ) передбачається використання як моторного масла (наприклад, для коробки передач до автобуса ЗІЛ-3250, що має великий запас по потужності), так і спеціально розроблених трактантов «Santotrac» і «Variotrac», широко що випускаються в США і Німеччині, а також вітчизняного трактанта ВТМ-1. Зауважимо, що використання трактантов істотно підвищує несучу здатність, довговічність і ККД варіаторів та перспективи їх застосування сумнівів не викликають.
Список літератури
Багатодисковий планетарний варіатор / Н. В. Гулиа. - Патент Росії № 2140028; 26.05.98.
Автоматична безступінчата передача / Н. В. Гулиа. - Патент Росії № 2138710; 16.06.98.
Гулиа Н.В., Юрков С.А., Петракова Е.А., Ковчегін Д.А., Волков Д. Б. Методика розрахунку основних параметрів фрикційного дискового варіатора / / Довідник. Інженерний журнал. - 2001. - № 1. - С.30 ... 39.
Vojacek H., Traktionsfluide Struktur und Eigenschaften vor alle Reibungsverhalten, Elmatik GmbH, 8036 Herrsching 2/BRD, 1985.
Отрохи В.П., Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С. А. Безступінчата коробка передач для ЗіЛ-5301 / / Автомобільна промисловість. - 1998. - № 7. - С.16 ... 18.
Гулиа Н.В., Власов А.Є., Юрков С. А. Механічна безступінчата передача для вантажних автомобілів і автобусів. Перспективи використання / / Вантажівка & Автобус, тролейбус, трамвай. - 1999. - № 12. - С.7 ... 12.
Гулиа Н.В., Юрков С. А. Гібридні силові агрегати для міських автобусів / / Вантажівка & Автобус, тролейбус, трамвай. - 2000. - № 1. - С.10 ... 14.
Гулиа Н.В., Юрков С. А. Нова концепція електромобіля / / Автомобільна промисловість. - 2000. - № 2. - С.14 ... 17.
Гулиа Н.В., Мартін Ф., Юрков С. А. Варіоколесо і його перспективи для автомобілів / / Автомобільна промисловість. - 2000. - № 10. - С.19 ... 21.
Елмані І.М., Колесников В. І. Термовязкоупругіе процеси трибосистем в умовах упругогідродінаміческого контакту. - Ростов-на-Дону: Центр Вищої школи, 1999. - 173с.