Новый многодисковый вариатор с «мягкой» рабочей характеристикой. Схема вариатора
Вариатор (Hypertronic CVT): описание, принцип работы, диагностика и ремонт - Трансмиссия всех моделей
Вариатор (Hypertronic CVT): описание и принцип работы
Вариа́тор — отдельный агрегат или встроенный в машину узел для плавного изменения передаточного числа. Вариатор состоит из одной или нескольких бесступенчатых передач и устройств, обеспечивающих их функционирование. Основная характеристика вариатора — диапазон регулирования, то есть отношение наибольшего передаточного числа к наименьшему (обычно 3—6, реже 10—12).Вариатор обеспечивает оптимальный скоростной режим машины при различных условиях её работы. Например, на станке можно поддерживать наивыгоднейшую скорость резания на различных участках заготовки при обработке поверхностей вращения переменного радиуса. На эскалаторах метрополитена вариаторы служат для точной подгонки скоростей движения поручней и лестницы. Вариатор применяют в станках, машинах и механизмах текстильной, бумажной, химической промышленности, на транспорте. Распространённая конструкция — клиноремённый вариатор со встроенным электродвигателем. Применение вариаторов как бесступенчатых регуляторов скорости (при необходимости — с программным управлением) значительно возрастает в связи с возможностью использования их для автоматизации управления производственными процессами.
В последние годы всё чаще слышно про автомобили оснащённые клиноременными вариаторами (CVT). Аббревиатура расшифровывается следующим образом - CVT (Continuously Variable Transmission), что можно перевести как трансмиссия с плавно изменяемым передаточным числом. Этот новый тип трансмиссии устанавливают на автомобили различных марок, включая и все ведущие японские компании по производству автомобилей.
До недавнего времени основными недостатками вариаторов являлись невозможность передачи большого крутящего момента и сравнительно малый срок службы. На практике оказалось, что при большом крутящем моменте резиновый клиновый ремень проскальзывает, быстро изнашивается, а чуть что — рвется. Поэтому вариатор в основном применяют только на легких и относительно маломощных мотороллерах, гидроциклах и снегоходах.Первым исключением стали голландские малолитражки DAF, появившиеся в 1958 году — двухдверные автомобильчики с двухтактными 22-сильными моторами, которые владелец завода инженер Хуб ван Доорн снабдил вариатором Variomatic собственной конструкции. Вариатор был далек от идеала, но ван Доорн был настолько увлечен идеей его усовершенствования, что в 1965 году продал производство легковых автомобилей фирме Volvo (после чего вариатор перекочевал на автомобили Volvo 3-й серии, но потом был снят с производства из-за малого ресурса ремня — около 30000 км), а сам основал фирму VDT, Van Doorne Transmissie. В 1971 году на VDT начали работу над изобретенным здесь стальным толкающим ремнем, состоящим из множества нанизанных на две стальные полосы плоских сегментов, и в конце 80-х голландцы добились-таки успеха: все вариаторы, которые с 1987 года и до последнего времени появлялись на легковых автомобилях Subaru, Fiat, Ford, Nissan, Rover, Honda, оснащались ремнями от VDT. После того, как компания Van Doorn Transmission создала надежную конструкцию — пластинчатый металлический ремень, бесступенчатый вариатор перестал быть уделом лишь маломощных механизмов и начал появляться на автомобилях со все более мощными моторами.
[FLOAT="left"][/FLOAT]Клиноременный вариатор как тип трансмиссии известен давно. Его главные детали — два раздвижных шкива и соединяющий их ремень, в сечении имеющий трапецеидальную форму. Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень, словно попавший между ними клин (отсюда и название "клиноременный"), наружу — радиус шкива, по которому работает ремень, увеличится, следовательно, увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь и будет работать по меньшему радиусу — передаточное отношение уменьшится. Когда оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой.
Прелесть вариатора в том, что изменять соотношение радиусов шкивов можно плавно, а не ступенчато, как в любых коробках передач. Главное — делать это синхронно и не давать ремню проскальзывать. Как правило, половинами одного из шкивов управляет приводной механизм (в автомобильных вариаторах — гидравлический), а половины второго шкива подпружинены и отзываются на ослабление или натяжение ремня.
Наиболее широко вариаторы применяются в легкой технике — в трансмиссиях мотороллеров, снегоходов и водных мотоциклов. Там используются резиновые армированные ремни, но для применения на автомобилях они не подходят — слишком велики износ и проскальзывания. Хотя попытки были — автомобили DAF и, позже, первые Volvo 3-й серии снабжались вариаторами голландской фирмы VDT (Van Doorn Transmissie). Когда из-за низкого ресурса автомобилестроители отказались от резиновых ремней (и, казалось, от вариаторов), специалисты VDT продолжали работать над усовершенствованием своего детища — и, наконец, запатентовали техническое решение, которое вернуло вариатор к жизни. Они изобрели ремень из множества стальных пластинок, набранных, словно четки на нить, на стальное гибкое кольцо. Такой ремень воспринимает гораздо больший крутящий момент, так как он передает толкающее, а не тянущее усилие.
С этого началось возрождение вариаторов. Теоретически, они должны обеспечить лучшую динамику и меньший расход топлива, чем даже механические коробки передач — из-за того, что двигатель с вариатором может всегда работать на оптимальных оборотах. Но на практике этого достичь нелегко. Не удается избежать потери энергии на привод гидронасоса, поддерживающего давление масла в исполнительной системе. Помимо этого, для рассоединения вариатора и ведущих колес при остановке используют или гидротрансформатор (как это сделал Nissan), или пакет фрикционов с гидроприводом. А это тоже потери мощности...
NISSAN лидирует в мире по разработке коробок передач с непрерывно изменяющимся передаточным числом - CVT (фирменное название - Hyper CVT). На выпускаемую в Англии модель MICRA коробка передач CVT устанавливается с 1992 года. Однако CVT, устанавливаемая на автомобили сегмента D c 1997 года - открытие совершенно нового поля деятельности. Этой трансмиссией начали оснащать модели PRIMERA, BLUEBIRD, AVENIR с 1.8 и 2-х литровыми двигателями. Эти машины - не только первые авто из сегмента D, на которые устанавливается CVT, но и первые в мире автомобили с двухлитровым двигателем и такой коробкой передач.
[FLOAT="left"]
Вариатор CVT M-6. M-6 означает, что кромеавтоматического режима возможен ручной выбори переключение шести ступеней с фиксированными передаточными числами.[/FLOAT]Вариатор CVT предоставляет водителю возможность выбора режимов движения, аналогичных обыкновенным автоматическим коробкам: P-R-N-D-L. В новой коробке CVT М-6 с возможностью выбора фиксированных передаточных отношений, справа от традиционной прорези находится еще одна, по которой рычаг селектора может перемещаться к знакам "плюс" или "минус", означающих повышение или понижение передачи.При рычаге селектора, находящемся в этой прорези, водитель может пользоваться одним из шести зафиксированных передаточных чисел. Этот рычаг можно просто двигать вперед - назад для переключения на повышающую или понижающую передачу. Новая коробка передач CVT М-6 предлагает водителю больше возможностей при выборе режима движения: спокойное, расслабленное при автоматическом режиме или более динамичное при ручном.
Как и в автомобиле с "автоматом", педаль сцепления отсутствует. Нет необходимости отвлекаться на переключения передач, не нужно нарабатывать необходимую координацию: только педаль акселератора и тормоз. Американцы давно оценили эти преимущества и механическая КПП для них отчасти - нонсенс. "Автоматами" с особым удовольствием пользуются прежде всего женщины, те, кто недавно сел за руль, очень занятые люди, которым не до "драйверских радостей", и все, кто не любит прилагать к чему бы-то ни было лишних усилий.
С технической точки зрения "автомат" повышает ресурс двигателя - резкие броски сцепления и прочие "несанкционированные" коллизии в трансмиссии отсутствуют. Разумеется, за это пришлось платить - сложностью устройства, его дороговизной, ростом расхода топлива, которым отличались автоматические гидромеханические трансмиссии (управляемые не электроникой) и, соответственно, количеством выбросов. Именно эти причины вот уже добрые полвека будоражат умы конструкторов, пытающихся создать трансмиссию, в которой бы не было моментов перехода со ступени на ступень, а передаточное число изменялось бы плавно.
Условия для работы двигателя в этом случае идеальны: практически постоянные обороты означают минимальный шум, расход топлива, токсичность и износ, поскольку отсутствие переходов с передачи на передачу уменьшает нагрузки и на двигатель, и трансмиссию.CVT предпочтительней обычной автоматической трансмиссии, так как проще, экономичнее и совершеннее. Как и обыкновенная автоматическая коробка, CVT позволяет водителю не напрягаться выбирая передачи. Но вместо ее фиксированных передаточных чисел, CVT самостоятельно выбирает передачу из бесконечного их количества в соответствии с условиями движения и режимом, выбранным водителем.
[FLOAT="left"]
Сравнение режимов работы обычной автоматической трансмиссии и клиноременного вариатора[/FLOAT]Использование традиционной автоматической коробки ведет к повышенному расходу топлива вследствие потерь на внутреннее трение и скольжение в постоянно вращающихся частях планетарных редукторов, к тому же включение и выключение передач может вызывать такие же рывки, как при неудачном переключении передач в ручной трансмиссии.В CVT планетарные редукторы и связывающие их элементы заменены двумя шкивами переменного диаметра, связанными сегментированным стальным ремнем. Один из шкивов является ведущим (приводимым во вращение двигателем), а другой - ведомым, от которого идёт привод на колёса. Схему работы CVT можно понять из рисунка, приведенного ниже. Привод включается через электромагнитное сцепление. Система настроена на оптимальное использование режима работы двигателя и обеспечивает идеальную плавность при изменении передаточного числа.
Чтобы использовать больший крутящий момент двухлитрового двигателя, в новой CVT использован более широкий и крепкий стальной ремень, а система управления шкивами работает под более высоким давлением жидкости в магистрали. Привод ведущего шкива регулируется гидротрансформатором, сходным с обычными автоматическими трансмиссиями, вместо электромагнитного сцепления. Этот гидротрансформатор позволяет автомобилю, оснащенному новой CVT, медленно двигаться при отпущенной тормозной педали, что облегчает парковку и троганье на подъемах.
[FLOAT="left"]
[/FLOAT][FLOAT="right"]
Расстояние, которое проходят автомобилис обычной автоматической трансмиссией и CVT, на одном литре топлива[/FLOAT]Чтобы предотвратить традиционный для гидротрансформатора повышенный расход топлива, NISSAN разработал изолирующий его блокирующий механизм. Благодаря ему, разница в расходе топлива автомобилей с ручной трансмиссией и CVT или CVT М-6 очень мала. Поэтому водитель, остановивший выбор на любой из этих трансмиссий, может пользоваться всеми преимуществами обыкновенной автоматической коробки передач, совмещая их с совершенством и низким расходом топлива CVT.
Как и все системы новой трансмиссии, блокировка гидротрансформатора, выполняющего роль сцепления, контролируется электроникой. Контрольный блок CVT управляет всеми ее функциями и узлами: гидротрансформатором, гидравлическим масляным насосом, собственно переключением передач, включая заднюю, а также ручным режимом работы CVT М-6.
Активизированный селектором, ручной режим CVT М-6 выбирает одно из шести заранее запрограммированных передаточных чисел. Пять из них близки к передаточным числам обыкновенной ручной коробки передач, шестая - оптимально подобрана для экономичного движения на высокой скорости. Далее водитель переключает передачи простыми движениями селектора вперед - назад. Например, при включенной пятой передаче, что высвечивается на специальной шкале панели приборов, два движения селектора назад означают переход на третью передачу, одно вперед - на шестую.
Система разрабатывалась вместе с новыми двигателями и шасси автомобиля на огромном количестве дорог Великобритании, Европы и Японии. Время переключения передач оптимизировано и значительно быстрее времени переключения на ручной коробке. На автомобиле, оборудованном CVT М-6, водитель столь быстро и плавно переключает передачи, особенно понижающие, потому что ему не нужно подстраиваться под обороты двигателя и нажимать педаль сцепления.
[FLOAT="left"]
Сравнение эффективности работы 5-ти ступенчатой механической трансмиссии и CVT M-6[/FLOAT]Как альтернатива, стандартная CVT имеет спортивный режим, управляемый кнопкой на селекторе. В этом режиме трансмиссия работает в районе оборотов двигателя, при которых достигается максимальная мощность и, как следствие, более быстрый разгон и торможение двигателем. Спортивный режим впервые появился на данном вариаторе CVT.
В заключение отметим, что CVT является куда более совершенным типом трансмиссии по сравнению с традиционными автоматическими коробками передач. Совершенство проявляется в более лучшей динамике разгона, меньшем расходе топлива, более плавной езде у автомобилей оснащённых клиноременными вариаторами. И в тоже время, CVT проще по конструкции, чем традиционные "автоматы". Думается, что в недалёком будущем автомобили оснащённые CVT полностью вытеснят машины, оснащённые обычными "автоматами" и сильно потеснят машины с "механикой".
japcar.ru, ru.wikipedia.org, autogear.ru, autoreview.ru, history.nissan.co.jp
P.S. А ЭТО видео работы вариатора
www.primera-club.ru
Строение вариатора
Вариатор – это разновидность автоматической коробки передач, которая была изобретена еще давно, но получила популярность в современном мире.
Вариатор давно уже не новинка техники и автомобильные каталоги про него многое рассказывали, наверно каждый бывалый автомобилист слышал выражение «бесступенчатый вариатор».
Бесступенчатый вариатор изобрел знаменитый изобретатель и художник Леонардо Да Винчи еще 500 лет назад.
По внешнему облику вариатор ничем не отличается от обычной автоматической коробки передач, но строение вариатора совсем различно с устройством коробки передач автомат. Преимуществом вариатора является бессметное количество передач, и плавность, и легкость их включения. Изменение передаточного числа при разгоне с помощью вариатора понравится каждому автомобилисту, точное, без толчков и рывков, согласовано с водителем.
1.Вариаторы изготавливают нескольких типов:
- Клиноременные вариаторы (со шкивами переменного диаметра);
- Цепные вариаторы;
- Тороидальные вариаторы;
1.1.Рассмотрим работу и строение клиноременного вариатора:
Два лежащих параллельно напротив друг друга цилиндра, стянутые резинкой. И вдруг эти механизмы начинают вращаться с одинаковой скоростью. В случае отличия диаметров цилиндров происходит изменение передаточного числа, так как один цилиндр совершает один поворот вокруг себя, а второй уже два поворота.
Строение вариатора очень похоже, практически одинаково, только диаметр применяемых цилиндров постоянно разный, что обеспечивает изменение передаточного числа вариатора при разгоне и замедлении. Вариатор состоит из двух шкивов похожих на конусы между которыми зажат клиновой ремень.
Плавное изменение передаточного отношения осуществляется за счет изменения радиуса изгиба ремня ведущего и ведомого диска.
Главное, чтобы конусы двигались друг к другу и обратно, тогда будет происходить произвольное изменение диаметров, и когда ремень будет соприкасаться с конусами своими ребрами, будет перемещаться в центр шкива и перекатываться по малому кругу конуса. А во время сближения конусов будет перекатываться по большому кругу. Теперь главное, чтобы был один ведущий вал, и один ведомый тогда можно легко обеспечить передачу передаточного отношения через шкив приводного вала. В качестве узла, который отвечает за регулирование направления вращения вала, выступает планетарная передача. В качестве ремня вариатора используется металлическая лента или широкая, прочная стальная цепь.
Для смазки цепи применяют специальную жидкость, с высоко стойкими свойствами, что обеспечивает хорошую контактность без проскальзывания и поддерживает качественную передачу крутящего момента.
1.1.1.Во время разгона вариатор меняет передаточное число в оптимальном режиме благодаря блоку управления, постоянно работая при максимальном крутящем моменте. Темп разгона остается на очень высоком уровне. Если автомобиль поднимается на возвышенность, вариатор понижает передачу.
К недостаткам вариатора можно отнести не большую мощность двигателя. Хочешь мощный автомобиль езди на механике или автомате.
{jcomments on}
www.autoezda.com
Бесступенчатые коробки передач. Вариатор
Общепринятые сегодня ступенчатые коробки передач имеют врожденный, заложенный в них конструктивно недостаток: набор фиксированных передаточных чисел лишь усредненно может отражать весь спектр постоянно меняющихся внешних условий. Даже при простом прямолинейном разгоне по ровной дороге на каждой из ступеней двигателю сначала приходится преодолевать внешнюю нагрузку (в данном примере – силу инерции), передача может оказаться более высокой, чем нужно, затем передача оказывается уже более низкой, чем требуется. «Точность» передач можно повышать, увеличивая количество ступеней в коробке, что ограничено прежде всего физически. К тому же при этом от «усредненности» избавиться все равно не удастся. Поэтому для постоянного «попадания в нужный момент» передаточное число должно не «скакать», а «плавать», для чего ступени из трансмиссии необходимо исключить.
Бесступенчатое изменение передаточного числа обеспечивает гидротрансформатор. Но диапазон его работы довольно узок, и для применения на автомобиле к нему приходится добавлять ступенчатую коробку передач.
Недостатков вышеперечисленных устройств лишен вариатор – в основе своей механическая, а поэтому работающая с небольшими потерями бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которое позволяет автоматически плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное согласно внешней нагрузке и оборотам двигателя, тем самым, давая возможность максимально эффективно использовать его мощность. В технике существует множество различных конструкций такого типа, но на автомобиле получили распространение два вида вариаторов – клиноременной и тороидный.
Бесступенчатые передачи могут быть:
- механическими (ременными или фрикционными)
- гидравлическими
- электрическими
Клиноременной вариатор состоит из нескольких (как правило, одной — двух) ременных передач, где шкивы образованы коническими дисками, за счет сдвигания и раздвигания которых изменяются диаметр шкивов и, соответственно, передаточное число.
Рис. Принцип работы вариаторной передачи:1 – ведущий привод; 2 – набор первичных аксиально перемещаемых дисков; 3 – набор вторичных аксиально перемещаемых дисков; 4 – ведомый привод; 5 – передающая цепь
Для трогания автомобиля с места используются обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управление дисками шкивов осуществляет электронная система из сервоприводов, блока управления и датчиков.
Разные фирмы разработали каждая свою конструкцию клиноременного вариатора, так на Audi в трансмиссии Multitronic вместо ремня применяют цепь, а Honda ставит набранный из металлических пластин ремень, но принцип от этого не меняется.
Одной из первых вариаторных передач, нашедших практическое применение, была клиноременная передача, устанавливаемая на шведских автомобилях «Вольво».
Клиноременная передача
Вариатор на автомобиле «Вольво» установлен в трансмиссии между главной передачей и ведущими колесами. Изменение передаточного числа в вариаторе происходит автоматически за счет изменения диаметров шкивов. Ведущая шестерня 1 главной передачи находится в зацеплении с двумя шестернями 2 и 5, свободно сидящими на валу 3. Шестерни могут соединяться с валом через кулачковую муфту 4, при включении левой шестерни происходит движение автомобиля вперед, правой – задний ход.
На обоих концах поперечного вала 3 закреплены ведущие шкивы вариатора 6. Левая часть шкива закреплена на валу жестко, правая может перемещаться вдоль оси вала. Подвижный правый шкив соединен с грузиками центробежного регулятора 11 и с поршнем цилиндра, связанного с впускным трубопроводом двигателя. Ведомый шкив 8 также состоит из двух частей, при этом правая неподвижна на ведомом валу, а левая подвижна в осевом направлении и нагружена пружиной 9. Ведомый вал вариатора через редуктор связан с ведущими колесами автомобиля.
Работает вариатор следующим образом. При малой частоте вращения коленчатого вала (начало трогания автомобиля) пружина 9 выжимает ремень на ведомом шкиве на больший радиус. Вследствие малой частоты вращения и сдвинутых грузиков регулятора 11 половины 6 ведущего шкива раздвинуты за счет действия пружины 14, и ремень располагается на малом радиусе. Передаточное число наибольшее. По мере разгона автомобиля и увеличения частоты вращения вала 3 увеличивается сила действия центробежного регулятора, которая смещает подвижную часть шкива и увеличивает его рабочий диаметр. Разрежение, создаваемое во впускных трубопроводе двигателя, передается в цилиндр 13, связанный с подвижной частью шкива. При уменьшении нагрузки, когда разрежение во впускном трубопроводе возрастает, рабочий диаметр шкива ведущего увеличивается, уменьшая передаточное число. Таким образом, осуществляется автоматическое изменение передаточного числа вариатора в зависимости от скорости движения и нагрузки двигателя.
Рис. Клиноременная передача:1– ведущая шестерня; 2, 5 – шестерни; 3 – вал; 4 – кулачковая муфта; 6 – ведущий шкив вариатора; 7 – ремень; 8 – ведомый шкив; 9, 12, 14 – пружины; 10 – цилиндрическая передача; 11 – центробежный регулятор; 13 – цилиндр
Бесступенчатые коробки передач с электронным управлением
В результате развития электроники появились бесступенчатые коробки передач с электронным управлением, представителем которых является коробка передач «Ауди» для модели А6 2.8, оснащенной двигателем мощностью 193 л. с. с крутящим моментом 280 Нм.
Основными элементами бесступенчатой коробки передач автомобиля А6 2.8 являются:
- механизм включения для начала движения (фрикционы с дисками в масле), ведущий и ведомый шкивы с аксиально перемещаемыми дисками и стальной ремень, предназначенный для передачи мощности
- система электронно-гидравлического управления коробкой передач
- узел движения задним ходом
- главная передача с дифференциалом
Рис. Схема бесступенчатой коробки передач автомобиля Ауди:1 – маховик с встроенным демпфером; 2 – фрикционы для движения задним ходом; 3 – промежуточная передача; 4 – вариатор с цепью; 5 – электронный блок управления коробкой; 6 – гидравлическое управляющее устройство; 7 – гидравлическая система передвижения вариаторов; 8 – фрикционы для движения передним ходом; 9 – планетарный передаточный механизм
Вариатор состоит из ведущего и ведомого конических шкивов с аксиально перемещаемыми дисками, и передающей вращения специальной цепи. На ведущий привод передается вращения от двигателя через промежуточный передаточный механизм, ведомый привод передает крутящий момент на дифференциал. При передачи движения цепь всегда натянута.
Для плавного трогания с места при включения передачи переднего и заднего хода служит многодисковое сцепления включаемое с помощью гидравлики. Изменение направления вращения производится с помощью шестерен планетарного механизма.
Для привода ведомого шкива применяется многорядная стальная цепь, при этом со шкивами контактируют не сегменты ремня, как было в прежних конструкциях, а скошенные торцы соединительных осей звеньев. Чтобы исключить проскальзывание, прижим скошенных торцов осуществляется сложной следящей гидравлической системой, которая создает в каждый момент необходимое давление от 20 до 60 кгс/см2. В результате износ штифтов составляет лишь 0,2 мм за весь срок службы.
Рис. Вариаторная цепь:1 – соединительные оси; 2 – звенья; а – вид сверху; б – вид сбоку
Цепь обеспечивает не только передачу значительной нагрузки, но еще и изменение передаточного отношения в диапазоне от 1:2,1 до 1:12,7. Это позволило отказаться от гидротрансформатора, а значит, и от дополнительных потерь мощности.
Управление коробкой передач осуществляется с помощью электронного блока управления. Для принятия определенного решения в блок управления поступает информация от различных датчиков: частоты вращения коленчатого вала двигателя, частоты вращения входного передаточного механизма, положения педали подачи топлива, крутящего момента двигателя, температуры масла в коробке передач.
Электронный блок управления способен распознать по характеру движения педали подачи топлива, какой режим предпочитает водитель – экономичный или спортивный. В последнем случае уже со скорости 60 км/ч вариатор включает режим «овердрайв», то есть занижает передаточное отношение. При энергичном нажатии педали подачи топлива включается спортивный режим. Блок управления реагирует включением пониженной передачи и на наличие прицепа или крутого подъема, необходимость торможения двигателем. Программа блока управления позволяет работать коробке передач в ручном режиме, когда из памяти извлекаются заранее запрограммированные значения передаточного отношения. В этом случае бесступенчатая коробка действует как шестиступенчатая коробка передач с последовательным переключением.
Ауди с бесступенчатой коробкой передач расходует на 0,9 л/100 км меньше топлива, чем с традиционной автоматической коробкой, и на 0,2 л меньше, чем с механической пятиступенчатой коробкой передач. При этом разгон до 100 км/час занимает соответственно на 1,3 с и на 0,1 с меньше времени.
Тороидный вариатор
К бесступенчатым передачам относится и тороидный вариатор, применяемый в автомобилях японского производства «Глория» и «Скайлайн».
Рис. Схема тороидного вариатора:а – высшая передача; б – низшая передача; 1 – ведущий диск; 2 – ведомый диск; 3 – промежуточные ролики
Вариатор состоит из соосных дисков ведущего 1, ведомого 2 и промежуточных роликов, передающих момент от одного диска к другому. Один диск является ведущим, а другой – ведомым. Передача крутящего момента обеспечивается силами трения между рабочими поверхностями дисков и роликов. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их радиусы, по которым ролики обкатывают диски.
В зависимости от угла поворота ролика ведомый диск может вращаться с той же скоростью, что и ведущее (если ролик горизонтален), с большей или меньшей (если ролик поворачивается).
Поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску (до 3000 Нм). Возможность передачи таких усилий обеспечивается применением высококачественных сталей, особых масел и специальной системой, в которой управляемый электронным блоком управления прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам. Кроме того, чтобы разгрузить детали и уменьшить размеры тороидной коробки передач, в ней работают два вариатора. При использовании тороидного вариатора в трансмиссии автомобиля так же, как и в случае клиноременного, необходимо обеспечить возможность получения заднего хода и отключения вариатора от двигателя с помощью сцепления. Задний ход обеспечивает планетарная передача, а для нейтральной передачи используется гидротрансформатор.
Для смазки бесступенчатых коробок передач специальное масло с маркировкой CVT, которое не совместимо с маслом ATF, применяемом для традиционных автоматических коробок передач.
Бесступенчатые коробки передач до сих пор не нашли широкого применения из-за некоторых имеющихся в них существенных недостатков по сравнению с механическими ступенчатыми коробками (размер, масса, диапазон преобразования, производственные расходы, к.п.д. коробки передач, компоновочные ограничения).
ustroistvo-avtomobilya.ru
Тороидные вариаторы — Энциклопедия журнала "За рулем"
Схема тороидного вариатора
В тороидном вариаторе между двумя колесами со сферической (тороидной) рабочей поверхностью зажимается ролик. Одно колесо является ведущим, а другое — ведомым. Передача крутящего момента обеспечивается силами трения между рабочими поверхностями колес и ролика. Изменение положения оси ролика в поперечной плоскости приводит к изменению передаточного числа вариатора, равного отношению радиусов окружностей проходящих через точки контакта колес с роликом.В зависимости от угла поворота ролика ведомое колесо может вращаться с той же скоростью, что и ведущее (если ролик горизонтален), с большей, или меньшей (если ролик поворачивается). При использовании тороидного вариатора в трансмиссии автомобиля так же, как и в случае клиноременного, необходимо обеспечить возможность получения заднего хода и отключения вариатора от двигателя с помощью сцепления.Первый патент на конструкцию трансмиссии с тороидным вариатором был получен Чарльзом Хантом еще в 1877 г. Такие трансмиссии производства Perbury-Hayes предлагались для автомобилей в 1930-е гг., однако они отличались недостаточной величиной передаваемого крутящего момента и низкой долговечностью из-за отсутствия соответствующих материалов и технологий. Основная проблема заключается в том, что передача крутящего момента целиком зависит от трения в контакте ролика с колесами, и чем выше передаваемый момент, тем больше должна быть сила трения, причем при очень малой площади контакта. Для увеличения трения давление между деталями вариатора должно быть выше, что может привести к повреждению вариатора.В 1999 г. компания Nissan начала устанавливать на некоторых из своих автомобилей, предназначенных для японского рынка, коробки передач Extroid. В этой коробке передач используется сдвоенный тороидный вариатор, разделяющий поток мощности с целью уменьшения размеров узла. Коробка передач была сконструирована для продольной установки на мощные заднеприводные автомобили и может передавать крутящий момент до 300 Н•м, что на сегодняшний день является рекордом для коробок передач с вариаторами.Возможность передачи таких усилий обеспечена применением высококачественных сталей и специальных трансмиссионных масел. Усилия сжатия колес и роликов вариатора составляют величину до 10 т. При таких усилиях сжатия повернуть ролик для изменения передаточного числа вариатора не просто. Nissan использует оригинальную систему поворота роликов, в которой ролики поворачиваются автоматически при их небольшом смещении относительно оси вращения. Совместно с вариатором в коробке передач Extroid работает гидротрансформатор. Для включения заднего хода используется планетарная передача, управляемая с помощью многодискового мокрого фрикционного сцепления.
Коробка передач Mazda с тороидным вариатором
На Токийском автосалоне 1999 г. компания Mazda продемонстрировала трансмиссию, которая включает в себя два тороидных вариатора, двухступенчатую планетарную передачу и два автоматических сцепления. При троганьи автомобиля с места планетарная передача понижает передаточное число, в целях получения высокого крутящего момента. На большой скорости привод на колеса осуществляется непосредственно от тороидного вариатора. Коробка передач включает в себя и главную передачу с дифференциалом и предназначена для поперечной установки на переднеприводные автомобили.
wiki.zr.ru
10.5. Вариаторы
Назначение и характеристики. Вариаторы служат для плавного (бесступенчатого) изменения на ходу частоты вращения ведомого вала при постоянной частоте вращения ведущего вала.
В качестве механизма главного движения в вариаторах применяют передачи разного типа — фрикционные, ременные, цепные. Их выполняют в виде отдельных механизмов с непосредственным контактом ведущего и ведомого катков (см. рис. 10.2) или с промежуточным элементом (например, ремнем, рис. 10.3). Разработано большое число конструкций с различными принципиальными схемами. Применяют в станкостроении, химической, текстильной, бумажной промышленности и др.
Рис. 10.3. Схема вариатора
с раздвижными конусами
Бесступенчатое регулирование скорости способствует повышению производительности работы машины вследствие возможности выбора оптимального режима, оно благоприятно для автоматизации и управления на ходу.
Для некоторых машин — волочильные станы, текстильные, бумагоделательные и подобные им машины — плавное регулирование скорости является технологически обязательным.
Одной из основных характеристик вариатора является диапазон регулирования, равный отношению максимальной частоты вращения ведомого катка п2тм к его минимальной частоте вращения n2min:
(10.4)
Обычно для одноступенчатых вариаторов Д= 3...8.
Вариаторы подбирают по каталогам и справочникам в зависимости от передаваемого вращающего момента, диапазона регулирования и частоты вращения ведущего вала.
Разновидности вариаторов. В зависимости от формы тел качения вариаторы бывают лобовые, конусные, торовые и др.
Лобовые вариаторы (см. рис. 10.2) применяют в винтовых прессах и приборах. Бесступенчатое изменение частоты вращения ведомого вала достигается передвижением малого катка вдоль вала, т. е. изменением радиуса R2. Допускают реверсирование вращения (передвижением малого катка из положения А в положение Б, см. рис. 10.2). Имеют интенсивный износ рабочих поверхностей катков и пониженный КПД вследствие разности скоростей на площадке контакта (геометрическое скольжение). Так как R1 = const, диапазон регулирования лобового вариатора
(10.5)
Вариаторы с раздвижными конусами (см. рис. 10.3) имеют наибольшее применение в машиностроении. Промежуточным элементом является широкий клиновой ремень или специальная цепь. Плавное изменение частоты вращения ведомого вала достигается раздвижением ведущего и синхронным сближением ведомого конусных катков, т. е. изменением расчетных радиусов катков R1 и R2. 104
Максимальное и минимальное значения передаточного числа:
Клжоременные вариаторы (см. рис. 10.3) просты и надежны в эксплуатации, стандартизованы. Диапазон регулирования Д< 5. При использовании широких ремней передаваемая мощность достигает 50 кВт при КПД п. = 0,8...0,9.
Рис. 10.4. Схема торового вариатора
Цепные вариаторы сложнее и дороже клиноременных, но компактнее, долговечнее. Обеспечивают постоянство передаточного числа. Применяют для мощностей до 100 кВт; Д< 7; η = 0,8...0,9.
Торовые вариаторы состоят из двух соосных катков с тороидальной рабочей поверхностью и двух промежуточных роликов (рис. 10.4). Частоту вращения регулируют поворотом роликов с помощью рычажного механизма, в результате чего изменяются радиусы поверхностей контакта R, и R2. Текущее значение передаточного числа
(10.6)
Из всех вариаторов торовые наиболее компактны и совершенны, скольжение у них сведено к минимуму, КПД < 0,95; Д< 6,3. Недостатками являются сложность конструкции, требование высокой точности изготовления и монтажа.
Рис. 10.5. Схема многодискового вариатора
Многодисковые вариаторы состоят из пакетов ведущих и ведомых раздвижных конических тонких дисков, прижимаемых пружинами (рис. 10.5).
Изменение частоты вращения пг ведомого вала осуществляют радиальным смещением ведущего вала относительно ведомого, изменяя при этом расчетный радиус Rx ведущих дисков. Долговечность повышается при работе дисков в масляной ванне.
studfiles.net
Новый многодисковый вариатор с «мягкой» рабочей характеристикой
Нурбей Гулиа, Сергей Юрков
В последнее время, в связи с развитием инверторной техники и частотного регулирования электромашин, нередко высказывается мнение о неперспективности вариаторного привода от электродвигателей с постоянной частотой вращения. Действительно, с помощью инверторной техники можно изменять частоту вращения электродвигателей или получать постоянную частоту тока от генераторов, вращающихся с переменной угловой скоростью. Но электромашины с инверторным регулированием отнюдь не заменяют собой их же, но с вариаторным приводом.
Дело здесь в том, что электромашины при инверторном регулировании должны выбираться исходя из максимального крутящего момента, проходящего через них. При заданной мощности это означает, что работа на минимальных частотах вращения требует электромашин с самыми большими габаритно-массовыми показателями. Усугубляет положение пониженная эффективность работы большинства электромашин на низких частотах тока.
Анализ показывает, что привод с электромашиной постоянной частоты вращения и вариатором существенно эффективнее привода от электромашин с частотным регулированием и машин постоянного тока, особенно по массе агрегата, и, разумеется, стоимости. Так, например, получить максимальный крутящий момент около 100 Нм при интервале рабочих частот вращения 200...2200 об/мин можно с помощью мотор-вариатора с асинхронным электродвигателем мощностью 2,2 кВт общей массой 30 кг, электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением мощностью 3 кВт и массой 125 кг, а также асинхронного электродвигателя с частотным регулированием мощностью 30 кВт с инвертором общей массой около 200 кг. При этом КПД установок с асинхронным электродвигателем соизмерим и колеблется между 0,7 и 0,8 в зависимости от крутящего момента, а у электродвигателя постоянного тока он сильно падает, примерно до 0,3 при максимальном моменте.
Преимущество вариаторного привода наиболее отчетливо наблюдается при больших мощностях привода, когда массы агрегатов существенны, либо когда имеются жесткие ограничения к массам агрегатов. Например, согласно расчетам, наличие вариатора вместо инверторного регулирования на мощных, порядка мегаватта и более, ветроустановках позволяет снизить массу генератора в 2...3 раза, а она сейчас порядка 10 тонн и выше. Масса же генератора существенно влияет на массу и стоимость вышки ветроустановки высотой около 120 м. К тому же ветроустановки обычно работают при мощностях менее 25% от установочной, а КПД инверторов при таких недогрузках гораздо меньше, чем у описываемого вариатора с оптимизированным, зависящим от мощности нажимом (сказанное относится к германским ветроустановкам, с которыми авторы знакомы по работе).
Очень полезен в понимании этого вопроса пример из автомобильной техники. Известно, что двигатель автомобиля, также как и электромашина с частотным регулированием, позволяет менять частоту вращения в широких пределах регулировкой подачи топлива. Однако попытка обойтись в приводе автомобиля без коробки передач, безразлично, ступенчатой или бесступенчатой, привела бы к хорошо понятному результату – двигатель стал бы иметь массу, соизмеримую с остальной частью автомобиля. Или автомобиль стал бы разгоняться с интенсивностью товарного поезда.
Прототипом нового вариатора является с нашей точки зрения наиболее перспективный планетарный дисковый вариатор по патенту Великобритании №1384679, F16H 15/50, 19.02.75 г. долгое время успешно выпускаемый, в частности, германской фирмой «Lenze» под названием «Disco» (рис. 1).
Рис. 1. Вариатор «Disco» фирмы «Lenze»: 1 – ведомый вал; 2 – неподвижное кольцо муфты; 3 – диск сателлитов; 4 – нажимное кольцо муфты; 5 – ось сателлита; 6 – сателлит; 7 – упорное кольцо; 8 – внутреннее солнечное колесо; 9 – пакет пружин; 10 – вал электродвигателя
На валу 10 электродвигателя установлено внутреннее солнечное колесо 8, вращающееся с практически постоянной угловой скоростью. Наружное солнечное колесо состоит из упорного кольца 7 и нажимного кольца муфты 4. Между внутренним и наружным солнечными колесами находятся сателлиты 6, установленные на осях 5. Сателлиты свободно перемещаются в радиальном направлении в гнездах диска 3, через который крутящий момент передается на ведомый вал 1.
Изменение передаточного отношения в вариаторе «Disco» производится при работающей передаче принудительно, путем вращения через винтовую или червячную передачу. При вращении нажимного кольца муфты, имеющего как и неподвижное кольцо 2, волнообразный профиль, происходит его перемещение в осевом направлении, вследствие чего изменяется зазор между нажимным и упорным кольцами. При уменьшении зазора сателлиты выдавливаются к центру, сжимая пакет пружин 9. Передаточное отношение вариатора при этом уменьшается. При вращении нажимного кольца в другую сторону зазор увеличивается и промежуточные конические диски под действием пакета пружин устремляются на периферию, повышая передаточное отношение.
Следует заметить, что последние серии вариаторов «Disco» снабжены сервосистемой с дополнительным двигателем и приводом для автоматического изменения передаточного отношения, например, в зависимости от момента сопротивления на выходном валу.
Планетарная схема вариатора кроме высокой компактности обеспечивает повышенные значения КПД, особенно на малых передаточных отношениях, близких к единице (напомним, что при передаточном отношении, равном единице весь планетарный механизм работает как одно целое без потерь на прокручивание). Это свойство особенно важно для автомобилей, так как наибольшие мощность двигателя и время работы здесь происходит именно на таких передаточных отношениях, называемых в автомобилестроении «высшими». Следует отметить, что именно дисковый вариатор, в отличие от вариаторов других типов, наилучшим образом подходит для планетарной схемы, так как все его рабочие элементы вращаются в одной плоскости и не подвержены весьма высоким гироскопическим воздействиям, пагубно влияющим на подшипники сателлитов. Вариаторы же с гибкой связью практически непригодны для использования по планетарной схеме. По своей несущей способности и эксплуатационным показателям – это один из лучших вариаторов.
Однако вариаторам «Disco» присущи следующие существенные недостатки, анализ которых необходим для понимания работы нового вариатора.
Невозможность повышения передаваемого крутящего момента и мощности путем простого увеличения числа рядов дисков, так, как это делается в многодисковых вариаторах. Это происходит из-за того, что внешние и внутренние центральные фрикционные диски при изменении передаточного отношения перемещаются в противоположных направлениях. Например, при сближении внешних дисков, внутренние раздвигаются, и наоборот.
Внешние и внутренние фрикционные диски представляют собой жесткие, практически недеформируемые в осевом направлении элементы, из-за чего усилие нажима воспринимают при шести сателлитах лишь 70% точек контакта. Это вызывает падение КПД и допускаемых контактных напряжений, повышает вероятность заеданий и требует весьма точного выполнения дисков-сателлитов по толщине (жесткий допуск на разнотолщинность), что повышает стоимость изделия.
Весьма неблагоприятные условия нажима фрикционных дисков, связанные со способом регулирования передаточного отношения. Нажимы во внешнем и во внутреннем фрикционных контактах без учета центробежных воздействий в этих вариаторах одинаковы, причем они повышаются при увеличении частоты вращения выходного вала, то есть при уменьшении передаточного отношения («выдавливании» сателлитов к центру). В этом же положении максимальны центробежные эффекты сателлитов, дополнительно существенно нагружающие их зоны контактов с внутренними дисками. Анализ показывает, что требуемые, то есть оптимальные нажимные усилия прямо противоположны имеющимся, из-за чего при малых передаточных отношениях сильно – в десятки раз – перегруженными оказываются контакты сателлитов с внешними дисками. Следствия этих пережимов видны из рис. 2, на котором приведены экспериментальные зависимости КПД вариатора «Disco» и нового планетарного дискового прогрессивного вариатора от частоты вращения выходного вала. Наибольшее падение КПД наблюдается у вариаторов «Disco» в наиболее используемом, особенно для автомобилей, режиме максимальных частот вращения выходного вала (минимальных передаточных отношений).
Рис. 2. Экспериментальные графики зависимости КПД от частоты вращения выходного вала: 1 – нового планетарного дискового прогрессивного вариатора; 2 – вариатора «Disco» фирмы «Lenze»
Способ регулирования передаточного отношения вариаторов «Disco», определяемый их конструкцией, неприменим для их использования на автомобилях и других машинах с динамичным изменением режимов работы. Помимо неблагоприятных условий нажима дисков, вызываемых этим способом, даже при наличии сервосистемы изменения передаточного отношения, системы датчиков и электронного блока управления, реакция механизма на увеличения усилия прижима внешних дисков (а именно так происходит изменение передаточного отношения) наступает весьма нескоро. Перемещение сателлитов происходит из-за упругих деформаций стальных жестких дисков и осуществляется очень медленно – до 250 секунд. Оперативного изменения передаточного отношения путем непосредственного перемещения сателлитов здесь осуществить нельзя.
Между тем сама планетарная схема дискового вариатора настолько перспективна по сравнению с другими вариаторами, что авторы сочли целесообразным создать на этой основе вариатор, лишенный отмеченных недостатков и обеспечивающий следующие полезные свойства.
Многодисковость конструкции при совмещении по оси внешних и внутренних рядов фрикционных дисков. Это позволит повышать несущую способность вариатора пропорционально числу рядов дисков при незначительном увеличении его габаритов по длине.
Равномерность прижима всех зон контактов при любом числе сателлитов, что позволяет избежать заеданий при высоких значениях контактных напряжений, допустимых для точечного исходного контакта. Достигается это использованием упруго-податливых центральных фрикционных дисков, компенсирующих разнотолщинность сателлитов.
Оптимизированный автоматический прижим фрикционных дисков, зависящий от передаточного отношения вариатора. Это позволяет учитывать изменяющийся коэффициент упругогидродинамического (УГД) трения во фрикционных контактах, также зависящий от передаточного отношения вариатора. Анализ показывает, что для большого числа важнейших применений вариаторов этот способ прижима фрикционных элементов наиболее подходит.
Это относится, например, к приводам от электромашин переменного тока с практически постоянной частотой вращения. Обеспечивая наилучшие показатели при максимальной мощности, такой способ прижима практически не снижает эффективности и при уменьшении потребляемой мощности в 2...3 раза, так как пережим в это число раз очень незначительно снижает КПД (сравните с пережимом в десятки раз у вариаторов «Disco»).
Это же относится к наиболее массовому и перспективному потребителю вариаторов – автомобилю. Не вдаваясь в нюансы этого достаточно сложного вопроса, отметим, что на режимах полной подачи топлива, а именно на этих режимах работают современные системы автомобильных трансмиссий с вариаторами, зависимость прижима дисков от передаточного отношения наиболее эффективна. На частичных режимах подачи топлива предполагается работать только в редких случаях, да и при этом КПД самого двигателя снижается настолько резко, что незначительное снижение КПД вариатора из-за пережима дисков здесь окажется практически незаметным.
На таких потенциально массовых потребителях вариаторов с высоким КПД как ветроэлектростанции, предполагаемый способ нажима наилучший, так как здесь все силовые параметры вариатора, в том числе и нажим, зависят от частоты вращения ветроколеса, а это при постоянной частоте вращения генератора означает, что и от передаточного отношения вариатора.
Главное, на наш взгляд, свойство – это саморегулируемость, адаптивность, или используя применяемый для вариаторов термин – «прогрессивность». Это свойство особенно ценно тогда, когда оно достигается не использованием дополнительных сложных, дорогих и ненадежных силовых сервосистем с датчиками, электронными блоками управления и серводвигателями с исполнительными механизмами, а органически свойственно данной конструкции вариатора. Это достигается в конструкции нового вариатора объединением систем нажима и изменения передаточного отношения. К тому же предусмотрена возможность принудительного (по желанию оператора) изменения на ходу степени этой прогрессивности или «мягкости» зависимости частоты вращения от момента сопротивления на выходе. Разумеется, предусмотрено и непосредственное принудительное изменение передаточного отношения, в том числе в ряде случаев и на неподвижном вариаторе, что принципиально невозможно на вариаторах «Disco» и на подавляющем большинстве других фрикционных вариаторов.
Эти свойства нового вариатора, работа над которым ведется в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ) около 20 лет, отражены в патентах России [1, 2].
Принципиальная схема вариатора представлена на рис. 3. На этой схеме вариатор включает всего два ряда центральных фрикционных дисков – неподвижных внешних 9, установленных в корпусе 18, и внутренних 5 с зажатыми между ними сателлитами 7 при помощи тарельчатых (или просто плоских дисковых) пружин 4 и 8, соответственно. Однако по схеме понятно, что этих рядов может быть сколь угодно много, сколько выдержат по прочностным и жесткостным показателям оси сателлитов 10, и их подшипники 6. Не исключаются и промежуточные поддерживающие опоры на осях 10, преимущественно при числе рядов выше четырех. Число сателлитов в одном ряде преимущественно шесть, как и в вариаторах «Disco», хотя для мощных устройств с малым диапазоном варьирования (например, для мощных ветроустановок), их может быть до 12. Подшипники 6 осей 10 находятся на одном конце поворотных рычагов 19, на других концах которых размещены противовесы 11, одна группа которых снабжена роликами 12, находящимися в фасонных прорезях 20 диска 13, связанного с выходным валом 17.
Рис. 3. Схема нового планетарного дискового прогрессивного вариатора: 1 – ось поворотных рычагов; 2 – водило; 3 – входной вал; 4 – тарельчатая пружина; 5 – внутренний центральный фрикционный диск; 6 – подшипники сателлитов; 7 – сателлит; 8 – плоская дисковая пружина; 9 – неподвижный внешний центральный фрикционный диск; 10 – ось сателлитов; 11 – противовес; 12 – ролик; 13 – прорезной диск; 14 – рычаг; 15 – пружина; 16 – рычажный механизм; 17 – выходной вал; 18 – корпус-эпицикл; 19 – поворотный рычаг; 20 – фасонная прорезь прорезного диска; ЖСМ – жидкий смазочный материал.
Поворотные рычаги 19 сидят на осях 1, закрепленных в водиле 2. Ролики 12 отжимаются на периферию пружинами 15, усилие которых может изменяться принудительно с помощью рычажного механизма 16, воздействие на который осуществляется рычагом 14. Рычаг может передвигаться как вручную (например, с помощью винтового механизма, если нужно принудительно устанавливать нужные передаточные отношения), так и с помощью усилителей, имеющих упругую характеристику (например, пневмокамер, управляемых от пневмосистемы). Следует отметить, что вариатор является прогрессивным и без механизма изменения усилия пружин. Но тогда он будет иметь всего одну «мягкую» рабочую характеристику, например, как у гидротрансформатора или электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Описанный механизм изменения усилия пружин (как в сторону его уменьшения, так и увеличения) изменяет лишь степень «мягкости» характеристики вариатора, позволяя работать на любом режиме, что особенно важно для автомобильной автоматической трансмиссии. В таком случае рычаг 14 будет связан с педалью управления скоростью автомобиля, с дополнительным усилителем или без него.
При изменении крутящего момента на выходном валу 17, ролик 12, находящийся до этого в прорези 20 в уравновешенном состоянии, под действием усилий пружин 4, 8, 15, тангенциальных усилий рабочего момента и других усилий в механизме вариатора, изменяет свое положение в прорези, меняя при этом передаточное отношение. Нажимные пружины 4 и 8 при этом упруго деформируются за счет расклинивающего действия сателлитов, что при вращении фрикционных дисков связано с ничтожным сопротивлением трению, и имея специально подобранные характеристики «сила-деформация», обеспечивают оптимальный по КПД нажим фрикционных дисков, с запасом β = 1,25...1,5. Прорезь 20 может быть выполнена и такого профиля, когда она лишь уменьшает или полностью устраняет усилие перевода ролика 12 при изменении передаточного отношения. Таким образом, свойство прогрессивности является как бы «врожденным» свойством, присущим конструкции вариатора, и достигается лишь подбором формы прорези 20 и жесткости пружины 15.
Опытный образец описанного вариатора в виде мотор-вариатора был рассчитан и спроектирован авторами данной работы и изготовлен на АМО ЗИЛ по совместному тематическому плану с Московским государственным индустриальным университетом (МГИУ). При расчете вариатора были использованы созданные при участии авторов методики и программы [3]. Проектирование вариатора осуществлялось в системе трехмерного моделирования CATIA (рис. 4). Заметим, что опытный образец мотор-вариатора, имеющий самостоятельное значения для общепромышленного назначения, для АМО ЗИЛ является первым этапом создания автоматической бесступенчатой коробки передач, в частности для автобуса ЗИЛ-3250.
Рис. 4. Изометрия мотор-вариатора
Для испытаний мотор-вариатор был снабжен тормозным устройством с водяным охлаждением тормозного барабана и с возможностью регулирования тормозного момента (рис. 5).
Рис. 5. Общий вид мотор-вариатора с тормозным устройством
Испытания опытного образца показали, что вариатор действительно является прогрессивным, имея «мягкую» характеристику, представленную на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость крутящего момента на выходе Мвых от частоты вращения выходного вала n2 и передаточного отношения i мотор-вариатора
При этом на высоких передаточных отношениях, в данном случае кинематическом, равном i = 9, а реальном около i = 13, проскальзывание достигало 35%, а значение передаваемого крутящего момента все возрастало. Эту необыкновенную «живучесть» фрикционного вариатора мы объясняем высоким значением фактора верчения при высоких передаточных отношениях данного вариатора. Похожий эффект возрастания коэффициента УГД-трения при высоких значениях проскальзывания и фактора верчения был получен проф. H. Vojacek в трибологической лаборатории в г. Гмунде, Германия [4]. Как известно, при малых значениях фактора верчения уже небольшие значения скольжения вызывают падение коэффициента УГД-трения и буксование фрикционной передачи, что показано многочисленными испытаниями на роликовых стендах.
Концепция нового прогрессивного вариатора в его автомобильном назначении в качестве автоматической бесступенчатой коробки передач была описана в [5, 6], в качестве составной части автомобильного гибрида в [7, 8], и в качестве нового перспективного типа движителя автомобиля, где вариатор встроен в ступицу ведущего колеса – вариоколеса, в [9].
Наиболее крупной спроектированной конструкцией на основе разработанного вариатора является вариатор-мультипликатор для ветроустановки мощностью 680 кВт. Следует заметить, что сдвоенный вариатор такой мощности с одним механизмом управления, расположенным в середине, может передать мощность 1,5 МВт, что достаточно для самой распространенной в перспективе модели ветроустановки. Следует отметить, что как мощность, передаваемая через каждую зону контакта при этом, так и особенно мощность потерь, переходящая в тепло, здесь значительно меньшие, чем способна передать зона контакта даже меньшего размера, что показано испытаниями на стендах [10].
В качестве жидкого смазочного материала (ЖСМ) предполагается использование как моторного масла (например, для коробки передач к автобусу ЗИЛ-3250, имеющей большой запас по мощности), так и специально разработанных трактантов «Santotrac» и «Variotrac», широко выпускаемых в США и Германии, а также отечественного трактанта ВТМ-1. Заметим, что использование трактантов существенно повышает несущую способность, долговечность и КПД вариаторов и перспективы их применения сомнений не вызывают.
Источники информации:
- Многодисковый планетарный вариатор / Н.В. Гулиа. – Патент России №2140028; 26.05.98.
- Автоматическая бесступенчатая передача / Н.В. Гулиа. – Патент России №2138710; 16.06.98.
- Гулиа Н.В., Юрков С.А., Петракова Е.А., Ковчегин Д.А., Волков Д.Б. Методика расчета основных параметров фрикционного дискового вариатора // Справочник. Инженерный журнал. – 2001. – №1. – С.30...39.
- Vojacek H., Traktionsfluide Struktur und Eigenschaften vor alle Reibungsverhalten, Elmatik GmbH, 8036 Herrsching 2/BRD, 1985.
- Отрохов В.П., Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С.А. Бесступенчатая коробка передач для ЗиЛ-5301 // Автомобильная промышленность. – 1998. –№7. – С.16...18.
- Гулиа Н.В., Власов А.Е., Юрков С.А. Механическая бесступенчатая передача для грузовых автомобилей и автобусов. Перспективы использования // Грузовик & Автобус, троллейбус, трамвай. – 1999. – №12. – С.7...12.
- Гулиа Н.В., Юрков С.А. Гибридные силовые агрегаты для городских автобусов // Грузовик & Автобус, троллейбус, трамвай. – 2000. – №1. – С.10...14.
- Гулиа Н.В., Юрков С.А. Новая концепция электромобиля // Автомобильная промышленность. – 2000. – №2. – С.14...17.
- Гулиа Н.В., Мартин Ф., Юрков С.А. Вариоколесо и его перспективы для автомобилей // Автомобильная промышленность. – 2000. – №10. – С.19...21.
- Елманов И.М., Колесников В.И. Термовязкоупругие процессы трибосистем в условиях упругогидродинамического контакта. – Ростов-на-Дону: Центр Высшей школы, 1999. – 173 с.
Дата публикации:
16 ноября 2001 года
n-t.ru
Устройства коробки вариатор (CVT), принцип работы
Что такое вариатор? Чтобы дать ответ на этот вопрос, давайте вспомним, сколько скоростей имеют механическая и автоматическая коробки передач. Первая – пять, вторая - до девяти – ответят грамотные водители. Так вот, вариатор имеет ступеней переключения скоростей намного больше, по сути – бесконечное количество.
Итак, вариатор – это бесступенчатая трансмиссия, которая даёт водителю возможность изменять передаточное число не рывками, а плавно, в соответствии с оборотами двигателя и внешней нагрузкой, что позволяет использовать мощность мотора максимально эффективно и обеспечить комфорт во время движения.
На современные автомобили устанавливают вариаторы двух типов: клиноременной и тороидный, хотя в технике подобных конструкций существует великое множество.
Вариаторы клиноременного типа известны достаточно давно. Главными деталями этого вариатора являются раздвижные шкивы и трапецеидальный в сечении ремень, который их соединяет. Если в ведущем шкиве сдвинуть его половинки, они вытолкнут ремень наружу подобно попавшему между ними клину (именно потому данный вариатор имеет такое название). При этом радиус шкива, с которым работает ремень, увеличится, что, в свою очередь, приведёт к увеличению передаточного отношения. Если же половинки ведомого шкива раздвинуть, ремень уйдёт внутрь, а радиус его работы уменьшится, что повлечёт за собой уменьшение передаточного отношения. При работе обоих шкивов в промежуточном положении передача будет прямой.
Устройство клиноременного вариатора
Схема клиноременного вариатора 1 - маховик с демпфером крутильных колебаний, 2 - фрикцион заднего хода, 3 - промежуточная передача, 4 - вариатор, 5 - электронный блок управления, 6 - гидравлический блок управления, 7 - фрикцион переднего хода, 8 - планетарный механизм
Составляющими клиноременного вариатора являются одна или две ременные передачи, в которых шкивы образуются из конических дисков, которые за счёт своего сдвигания или раздвигания способны изменять диаметр и, соответственно, передаточное число. Различные автопроизводители выпускают вариаторы, отличающиеся друг от друга конструктивными особенностями. Так, в Audi (трансмиссия Multitronic) ремень заменён цепью, а в Honda передаточный ремень состоит из металлических пластин. Но принцип работы во всех вариациях остаётся неизменным.
Чтобы автомобиль сдвинулся с места, используют обыкновенное сцепление или же компактный гидротрансформатор, который блокируется вскоре после начала движения. Управление дисками, из которых состоят шкивы, происходит при помощи электронной системы из сервоприводов, а также датчиков и блока управления.
Начнём с того, что попроще. Почему ремень имеет клиновидную форму? Трапециевидный в разрезе ремень входит в шкивы только боковыми своими поверхностями, оставаясь при этом в хорошей сцепке с ними.
Каким образом изменяется передаточное число? Ведущий шкив, который вращается при помощи коленвала, устроен таким образом, что под воздействием центробежных сил его щёки плавно сжимаются и выталкивают трапециевидный ремень всё дальше от центра шкива. При этом ведомый шкив, напротив, разжимается, и ремень погружается всё глубже, приближаясь к центру шкива. Чем выше у двигателя обороты, тем сильнее сжимается ведущий и разжимается ведомый шкив, что приводит к изменению передаточного числа от коленвала к ведущему мосту.
Тороидный вариатор
Схема тороидного вариатора 1 - гидротрансформатор, 2 - шестерни заднего хода, 3 - ведущие диски, 4 - ролики, 5 - ведомые диски, 6 - насос
Тороидный вариатор имеет другое устройство. Он состоит из дисков и роликов, которые передают крутящий момент от диска к диску. Чтобы изменить передаточное число, необходимо поменять положение роликов и радиусы, по которым ролики обкатываются вокруг дисков. И поскольку основное усилие сосредотачивается в пятне контакта, поворот роликов требует применения особых устройств, способных преодолеть силу, с которой ролик прижимается к диску.
К примеру, в вариаторе Extroid от Ниссан применяется специальная система, в которой управляемый при помощи электроники гидравлический прецизионный механизм передвигает обоймы с роликами вниз или вверх на микроскопические величины, а ролик, из-за возникшего относительно дисков сдвига, поворачивается далее самостоятельно.
Клиноременной и тороидный вариаторы: особенности и слабые места
Принцип устройств, называемых ныне вариаторами, не является новоизобретённым. Идеи о бесступенчатых трансмиссиях приходили в головы конструкторов ещё тогда, когда на транспорте начали применяться поршневые ДВС. А развитие современных технологий производства материалов и достижения электроники позволили усовершенствовать конструкции вариаторов, которые сегодня получают всё большее распространение на автомобильном транспорте. При этом принцип их работы, несмотря на новые конструкторские находки, остаётся неизменным.
Несмотря на множество исследований и испытаний, современные вариаторы пока не удалось избавить от некоторых проблем, которые весьма существенно влияют на их работу.
Так, «слабым звеном» в работе клиноременного вариатора является ремень, а в тороидном – пятно контакта ролика с диском, в котором сила давления может достигать десяти тонн. С этими проблемами пытаются бороться путем использования специальных высокотехнологичных материалов, что в значительной степени повышает надёжность вариаторов, приближая её к показателям надёжности гидромеханических автоматов. Тем не менее, из-за повышенных нагрузок на пятно контактов или ремень вариаторы пока не устанавливаются на грузовые машины и не работают с двигателями больших мощностей.
Современным рекордом для вариатора клиноременного типа является двигатель мощностью в 220 л.с. и 300 Нм, на которые способен шестицилиндровый двигатель Audi A6, оснащённой трансмиссией Multitronic. Тороидный вариатор-рекордсмен установлен на Nissan Gloria и Cedric, оснащённых 3-литровыми двигателями Extroid с показателями 240 л.с. и 310 Нм.
Несмотря на невозможность применения бесступенчатых передач на грузовиках, их применение на легковых автомобилях, по мнению экспертов, имеет большое будущее, которое обеспечат совершенствующиеся технологии производства материалов.
Сравнение динамических характеристик автомобилей, оснащённых вариаторами, может вызвать недоумение: на одной и той же модели легкового автомобиля разгон без вариатора происходит быстрее, чем с вариатором. Казалось бы, повышенная эффективность использования мощностей двигателя должна привести к противоположному результату! Оказывается, в случае адекватной настройки блока, разгон автомобиля с вариатором происходит, всё же, быстрее, чем без него. А недовольство некоторых автомобилистов объясняется привычкой слышать при разгоне нарастающий шум мотора, тогда, как в случае установки вариатора этот звук остаётся равномерным. Многие фирмы идут в этом вопросе навстречу пожеланиям и настраивают блок таким образом, чтобы не лишать водителей привычного радующего слух шума разгоняющегося мотора.
В завершение хотим отметить, что, в сравнении с традиционными коробками-автоматами, вариаторы являются значительно более совершенным типом трансмиссии. Их преимущество проявляется в значительно более высоких показателях динамики разгона, экономии топлива, плавному процессу езды. Весте с тем, конструкция вариаторов проще, чем у автоматических коробок, что сказывается на их стоимости и надёжности. Думается, что оснащённые вариаторами автомобили достаточно скоро вытеснят машины с «автоматами» и заметно потеснят «механику».
www.vozhdenie-nn.ru
