Нурбей Гулиа, Мартин Ференц, Сергей Юрков
Механическиебесступенчатые передачи – вариаторы, в последнее время находят себе все большееприменение на автомобилях. В основном, это вариаторы с гибким звеном – тянущимили толкающим, которые по ряду причин имеют ограниченные перспективы в качествекоробок передач автомобилей. На наш взгляд, в этом качестве перспективныпланетарные дисковые вариаторы, имеющие по сравнению с упомянутыми существеннобольшие долговечность, КПД на высших передачах, простоту и компактность.Подробный сравнительный анализ вариаторов – дисковых и с гибким звеном, как иописание принципа действия нового планетарного дискового вариатора, изложены встатье Н.В.Гулиа, А.Е.Власова и С.А.Юркова «Механическая бесступенчатаяпередача для грузовых автомобилей и автобусов. Перспективы использования».
Компактностьновых вариаторов, цилиндричность их формы, органически свойственная имавтоматичность, а также дистанционное управление режимом («жесткостью») этойавтоматичности, позволяют встраивать вариатор в ступицу ведущего колесаавтомобиля, в том числе и совместно с бортовой понижающей передачей. Врезультате получается новый тип ведущего колеса автомобиля, названный намисокращенно вариоколесом, и обладающий оригинальными эксплуатационнымисвойствами, повышающими потребительские свойства автомобиля и егоконкурентноспособность. По нашему мнению, это, в основном, касается автомобилейс несколькими ведущими осями, тягачей специального назначения, в том числе иземлеройных машин, а также автобусов, то есть тех автомобилей, где считаетсяперспективным использование электрических или гидравлических мотор-колес.
Еслисравнивать вариоколеса с мотор-колесами, то они обеспечивают сходныеэксплуатационные преимущества – бесступенчатое изменение частоты вращения имомента колеса, отсутствие потребности в межколесных и межосевых дифференциалахпри сохранении непрерывного тягового усилия на колесах, применение, принеобходимости, независимой подвески ведущих колес. При этом если вариоколесо вобщем, требует несколько более усложненного подвода мощности в сравнении смотор-колесами, то гораздо меньше габариты, масса, сложность, стоимостьустройства, как встроенного в колесо, так и располагаемого на шасси (генераторили насос, преобразователи, система управления), а также существенно большийКПД, являются несомненными преимуществами вариоколеса.
Какбудет показано ниже, подвод вращения при весьма низких моментах, меньше моментадвигателя без коробки передач, к вариоколесу, не требует пространства заметнобольшего, чем подвод мощности проводами или по трубам жидкостью. В принципе,возможен подвод мощности и гибкими валами в рукавах, даже внешне малоотличающимися от кабелей или гибких шлангов.
Ввидутого, что авторы не являются специалистами по многоосным автомобилям итранспортной спецтехнике, и занимаются, в основном, автобусами, здесь будутрассмотрены, главным образом, перспективы использования вариоколес длягородских автобусов, и лишь частично упомянуты эти перспективы для других видовтранспортных средств. В частности, особые удобства и перспективы представляютвариоколеса для автомобилей, тракторов и тягачей, имеющих большие колеса, например,крупных самосвалов, тягачей, бульдозеров, скреперов и т.д.). Крутящий момент,передаваемый вариатором, зависит от куба его диаметра, поэтому для большихколес возможно использование даже однодисковых вариаторов без дополнительногобортового редуктора. Мощность, передаваемая дисковыми вариаторами можетдостигать 500 и выше кВт для одного агрегата.
Вариоколесона основе двухскатных бездисковых колес для шин типа 12.00-20 (типичных длябольших городских автобусов типа «Икарус»), представлено на рис.1.
/>
Рис.1. Вариоколесо на основе двухскатных бездисковых колес (рисунки в форматеAutoCAD, 235 кб)
Низкомоментная,то есть рассчитанная на номинальный крутящий момент, примерно половинный открутящего момента двигателя, полуось 1 приводит во вращение центральныефрикционные диски 2, сжимаемые пакетом тарельчатых пружин 3. Промежуточныеконические диски 4, ось 5 которых, соединена с водилом 6, контактируют также снеподвижными внешними фрикционными дисками 7, посаженными в корпус 8 исжимаемыми плоскими дисковыми пружинами 9. (Конструкция данного вариаторазащищена патентом России №2140028 от 26.05.98, автор Н.В.Гулиа). Крутящиймомент от водила 6 через систему автоматического регулирования с принудительнойустановкой режимов передается на прорезной диск 10 (выходное звено вариатора)штатного бортового планетарного редуктора. Полумуфта 11 выполнена свозможностью принудительного вывода из зацепления с помощью винта 12.
Системаавтоматического регулирования вариатора, защищена патентом №2138710 от16.06.98. (автор Н.В.Гулиа), основана на равновесии сил, действующих со стороныфасонных прорезей в прорезном диске 10 и пружин сжатия 13 на ролики 14, осикоторых соединены с поворотными рычагами 15, перемещающими оси 5 промежуточныхдисков 4 в радиальном направлении, что вызывает изменение передаточногоотношения вариатора. Режим автоматического регулирования зависит от поджатияпружин 13, осуществляемого сервомотором 16, в данном случае типа Д-400В,мощностью 400Вт при 8000об/мин (24В), с планетарным или волновым понижающимредуктором 17 с передаточным отношением 150 и конической передачей 18,приводящей винты 19 системы управления с гайкой 20. Следует заметить, что эта системапредусматривает и чисто принудительное регулирование передаточного отношениявариатора, что целесообразно при низких (ползучих) скоростях движения машины.
Прикрайнем периферийном (верхнем) положении дисков 4 понижающее передаточноеотношение данного вариатора – 9,91, а при их центральном (нижнем) положении –1,27. Понижающее передаточное отношение бортового редуктора – 3,7, и такимобразом общее передаточное отношение механизма вариоколеса варьируется между36,7 и 4,7. Если принимать частоту вращения полуоси при трогании с места800об/мин, то при максимальном передаточном отношении вариоколесо будетвращаться с частотой около 20об/мин (с учетом неизбежного скольжения впередаче) и скорость автобуса будет при этом около 1м/с или 3,6км/ч, чтосоответствует реальным условиям трогания с места. При частоте вращения полуоси– 2000об/мин и минимальном передаточном отношении скорость автобуса около 22м/сили 76км/ч, что достаточно для городского автобуса.
РасчетныйКПД вариатора при трогании автобуса с места около 0,8, а при максимальнойскорости – 0,96, что следует из планетарной схемы вариатора и реальных значенийКПД фрикционных контактов дискового вариатора. Описываемый вариатор рассчитанна момент входа 600Нм, при этом максимальное тяговое усилие на колесе можетдостигать 3,5...40кН, что при нагрузке на ведущую ось 9т находится на пределесцепления. Такие тяговые возможности рациональны для грузовых автомобилей имашин повышенной проходимости, а для автобусов намного превосходят требуемыезначения. При этом следует отметить, что контактные напряжения в вариаторедостигают лишь половинных от допустимых, оставляя резерв почти восьмикратногоповышения передаваемого момента, либо уменьшения вдвое диаметра вариатора, чтоследует из точечного исходного контакта передачи. КПД вариатора, правда, приэтом несколько падает.
Системауправления может обеспечивать принудительное регулирование передаточногоотношения при скоростях движения до 10км/час с высокой точностью выдерживанияскорости (маневрирование на стоянках и т.д.) и автоматической коррекциейпередаточных отношений левого и правого вариоколес в зависимости от углаповорота управляемых колес. При регулярном движении автобуса регулировкеподвергается только режим автоматического управления: при сильном сжатии пружины13 он «жесткий», то есть передаточное отношение вариатора слабо повышается привозрастании дорожных сопротивлений; при слабом сжатии пружины 13 он «мягкий»,то есть передаточное отношение вариатора, и связанная с ним скорость движениямашины, сильно изменяется с возрастанием дорожных сопротивлений. При этомповороты машины не требуют межколесных дифференциалов в трансмиссии, так какнебольшое изменение частот вращения колес вызовет на любом режиме лишь слабоеизменение тяговых усилий на колесах, что почти не отразится на кинематике идинамике поворота. При возможности проскальзывания колес (например, пригололеде) это свойство будет играть лишь положительную роль, как и в случаемягких грунтов для машин повышенной проходимости, как бы заменяя дифференциалповышенного трения. Заметим, что в отличие от большинства автоматическихпередач, здесь градаций регулировки режимов движения может быть как угодномного. Сервомотор при этом включается только для изменения режима движения, тоесть достаточно редко.
Каки мотор-колеса, вариоколеса могут использоваться как для обычных схем силовыхагрегатов с приводом только от двигателя, так и для гибридных схем, включающихнакопитель энергии. На наш взгляд, в гибридных схемах как с тепловымидвигателями, так и с топливными элементами в качестве основных источниковэнергии, в качестве накопителей энергии целесообразно использование накопителеймеханической энергии – супермаховиков. Для случаев использования тепловыхдвигателей, выделяющих энергию в виде вращения вала, и потреблении этой энергиив виде вращения полуоси ведущего колеса, целесообразность использованиянакопителя, где энергия запасается также в виде вращения – супермаховика,очевидна. Для случаев же использования топливных элементов эта целесообразностьобоснована в статье Н.В.Гулиа и С.А.Юркова «Новая концепция электромобиля».Следует заметить, что и для упомянутой концепции использование вариоколесэквивалентно использованию вариатора в трансмиссии, причем первоепредпочтительнее для электробуса из условий компоновки.
/>
Рис.2. Принципиальная схема гибридного силового агрегата автомобиля (автобуса) сиспользованием вариоколес (рисунки в формате AutoCAD, 235 кб)
Принципиальнаясхема наиболее общего случая – гибридного силового агрегата автомобиля(автобуса) с использованием вариоколес представлена на рис.2. Здесь двигатель 1со сцеплением 2 приводит во вращение как ведущую шестерню 3 главной передачи,так и супермаховик 4 через соответствующую передачу с муфтой сцепления. Главнаяпередача содержит реверс в виде зубчатой или кулачковой муфты 5, подключающейполуосевые колеса переднего 6 или заднего 7 хода к полуоси 8, приводящейвариоколеса 9. В серединном положении муфты 5 включена нейтраль.
Вышеуже было упомянуто, что передаточное отношение главной передачи близко кединице, поэтому момент на ней и ее габариты весьма невелики; в частности,момент, передаваемый полуосью практически вдвое меньше момента на первичном валутрансмиссии после сцепления. Для сравнения можно отметить, что коническиеколеса 3, 6 и 7 по размерам близки к ведущим шестерням главных передач легковыхавтомобилей, рассчитанных на близкий крутящий момент. Аналогичные размеры будутиметь и подшипники этих колес; таким образом пространство по высоте, занимаемоеданной главной передачей – реверсом вполне может вписаться в толщину полаавтобуса, т.е. высоту несущих элементов.
Здесьне рассматривается принцип работы гибридного силового агрегата автомобиля, обэтом можно прочесть, в частности, в журнале «Грузовик...» (№1, 2000г.) в статьеН.В.Гулиа и С.А.Юркова «Гибридные силовые агрегаты автомобилей», где приводитсяих подробный анализ. Заметим, что для превращения гибридной схемы в обычнуюследует лишь устранить супермаховичный накопитель и соответствующий привод кнему. Двигатель в этом случае будет примерно в 2 раза мощнее, чем в гибриде.Для превращения схемы по рис.2 в схему электромобиля новой концепции, следуетустранить двигатель со сцеплением, а супермаховичный накопитель снабдитьвстроенным разгонным электродвигателем, питаемым от любого источникаэлектроэнергии, в частности, от топливных элементов (статья Н.В.Гулиа иС.А.Юркова «Новая концепция электромобиля».
/>
Рис.3. Схема компоновки автобуса с мотор-колесами и независимой подвеской (рисункив формате AutoCAD, 235 кб)
Применениевариоколес может обеспечить существенные компоновочные преимущества даже всравнении с мотор-колесами. Рассмотрим, например, наиболее перспективную схемукомпоновки автобуса, имеющего низкий уровень пола – всего 320мм, смотор-колесами и независимой подвеской фирмы ZF (рис.3). Ширина прохода 900мм –это все, что может обеспечить схема с мотор-колесами. Следует иметь в виду, чтогенератор и частотные преобразователи (либо инверторы), имеющие значительныемассы и габариты, обязательно присутствуют в конструкции.
/>
Рис.4. Схема компоновки автобуса с вариоколесами и независимой подвеской (рисунки вформате AutoCAD, 235 кб)
Всхеме с вариоколесами (рис.4) благодаря малым осевым размерам, не выходящим заосевые габариты колеса, при той же высоте пола обеспечивается увеличеннаяпримерно на 300мм ширина прохода, устраняются тяговые двигатели мотор-колес,генератор, преобразователи; повышается КПД привода и диапазон изменениякрутящего момента, особенно важные в гибридной схеме, где требуется двойноепрохождение энергии через привод – от накопителя к колесам и при рекуперацииэнергии в обратном направлении. Максимальный крутящий момент, передаваемыйвариатором, значительно превосходит развиваемый тяговым двигателем данныхразмеров, что обеспечивает высокие тяговые усилия и динамику машины.
Приэтом подвод вращения к вариоколесу 1 может быть осуществлен, в случаенезависимой подвески, не зависящим от положения пола или изменений его высоты(кстати, весьма небольших у регулируемой пневмоподвески автобуса). Достигаетсяэто фиксацией главной передачи 5 и полуосей 2 в полу машины 3 и связи их свходным валом вариоколеса качающимся цилиндрическим редуктором 4, как показанона рис.4 справа. Пол может в этом случае занимать различные по высоте положенияотносительно дороги, соответственно 3а и 3б, с передачей вращения от полуосейна вход вариоколеса. Обкат цилиндрических колес качающегося редуктора,теоретически изменяющий передаточное отношение от главной передачи но ободколеса, практически не влияет (как и поворот машины) на момент, передаваемыйвариоколесом из-за «мягкой» характеристики вариатора. Заметим, что для машинповышенной проходимости данная схема может быть «перевернута» на 180 градусов инизкий клиренс, целесообразный для автобусов, заменен на высокий, необходимыйдля хорошей проходимости.
Применениевариоколес из-за возможностей несложного достижения высоких передаточных чисел(бортовым редуктором, вариатором, качающимся редуктором) позволяет использоватьбыстроходные малогабаритные двигатели без риска увеличения передаточного числаи радиальных габаритов главной передачи, с сохранением ее передаточного числа,близкого к единице и выполнением минимальных радиальных габаритов быстроходнойнизкомоментной главной передачи – реверса, которую целесообразно выполнятьконической с круговым зубом.
Можносчитать перспективным замену сцепления двигателя высокомоментнымсинхронизатором с размещением сцепления с пневматическим управлениемнепосредственно в вариоколесе, в свободном пространстве между бортовымредуктором и ободом колеса, что должно повысить ресурс всей трансмиссии, таккак нагружение ее происходит при уже создавшемся масляном клине.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.n-t.org/