Нурбей Гулиа, Сергей Юрков
В последнее время, всвязи с развитием инверторной техники и частотного регулирования электромашин,нередко высказывается мнение о неперспективности вариаторного привода отэлектродвигателей с постоянной частотой вращения. Действительно, с помощьюинверторной техники можно изменять частоту вращения электродвигателей или получатьпостоянную частоту тока от генераторов, вращающихся с переменной угловойскоростью. Но электромашины с инверторным регулированием отнюдь не заменяютсобой их же, но с вариаторным приводом.
Дело здесь в том, чтоэлектромашины при инверторном регулировании должны выбираться исходя измаксимального крутящего момента, проходящего через них. При заданной мощностиэто означает, что работа на минимальных частотах вращения требует электромашинс самыми большими габаритно-массовыми показателями. Усугубляет положениепониженная эффективность работы большинства электромашин на низких частотахтока.
Анализ показывает, чтопривод с электромашиной постоянной частоты вращения и вариатором существенноэффективнее привода от электромашин с частотным регулированием и машинпостоянного тока, особенно по массе агрегата, и, разумеется, стоимости. Так,например, получить максимальный крутящий момент около 100Нм при интервалерабочих частот вращения 200...2200об/мин можно с помощью мотор-вариатора сасинхронным электродвигателем мощностью 2,2кВт общей массой 30кг,электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением мощностью3кВт и массой 125кг, а также асинхронного электродвигателя с частотнымрегулированием мощностью 30кВт с инвертором общей массой около 200кг. При этомКПД установок с асинхронным электродвигателем соизмерим и колеблется между 0,7и 0,8 в зависимости от крутящего момента, а у электродвигателя постоянного токаон сильно падает, примерно до 0,3 при максимальном моменте.
Преимущество вариаторногопривода наиболее отчетливо наблюдается при больших мощностях привода, когдамассы агрегатов существенны, либо когда имеются жесткие ограничения к массамагрегатов. Например, согласно расчетам, наличие вариатора вместо инверторногорегулирования на мощных, порядка мегаватта и более, ветроустановках позволяетснизить массу генератора в 2...3 раза, а она сейчас порядка 10 тонн и выше.Масса же генератора существенно влияет на массу и стоимость вышкиветроустановки высотой около 120м. К тому же ветроустановки обычно работают примощностях менее 25% от установочной, а КПД инверторов при таких недогрузкахгораздо меньше, чем у описываемого вариатора с оптимизированным, зависящим отмощности нажимом (сказанное относится к германским ветроустановкам, с которымиавторы знакомы по работе).
Очень полезен в пониманииэтого вопроса пример из автомобильной техники. Известно, что двигательавтомобиля, также как и электромашина с частотным регулированием, позволяетменять частоту вращения в широких пределах регулировкой подачи топлива. Однакопопытка 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. Илиавтомобиль стал бы разгоняться с интенсивностью товарного поезда.
Прототипом новоговариатора является с нашей точки зрения наиболее перспективный планетарныйдисковый вариатор по патенту Великобритании №1384679, F16H15/50, 19.02.75г.долгое время успешно выпускаемый, в частности, германской фирмой «Lenze» подназванием «Disco» (рис.1).
/>
Рис. 1. Вариатор «Disco»фирмы «Lenze»: 1 – ведомый вал; 2 – неподвижное кольцо муфты; 3 – дисксателлитов; 4 – нажимное кольцо муфты; 5 – ось сателлита; 6 – сателлит; 7 –упорное кольцо; 8 – внутреннее солнечное колесо; 9 – пакет пружин; 10 – валэлектродвигателя
На валу 10электродвигателя установлено внутреннее солнечное колесо 8, вращающееся спрактически постоянной угловой скоростью. Наружное солнечное колесо состоит изупорного кольца 7 и нажимного кольца муфты 4. Между внутренним и наружным солнечнымиколесами находятся сателлиты 6, установленные на осях 5. Сателлиты свободноперемещаются в радиальном направлении в гнездах диска 3, через который крутящиймомент передается на ведомый вал 1.
Изменение передаточногоотношения в вариаторе «Disco» производится при работающей передачепринудительно, путем вращения через винтовую или червячную передачу. Привращении нажимного кольца муфты, имеющего как и неподвижное кольцо 2,волнообразный профиль, происходит его перемещение в осевом направлении, вследствиечего изменяется зазор между нажимным и упорным кольцами. При уменьшении зазорасателлиты выдавливаются к центру, сжимая пакет пружин 9. Передаточное отношениевариатора при этом уменьшается. При вращении нажимного кольца в другую сторонузазор увеличивается и промежуточные конические диски под действием пакетапружин устремляются на периферию, повышая передаточное отношение.
Следует заметить, чтопоследние серии вариаторов «Disco» снабжены сервосистемой с дополнительнымдвигателем и приводом для автоматического изменения передаточного отношения,например, в зависимости от момента сопротивления на выходном валу.
Планетарная схемавариатора кроме высокой компактности обеспечивает повышенные значения КПД,особенно на малых передаточных отношениях, близких к единице (напомним, что припередаточном отношении, равном единице весь планетарный механизм работает какодно целое без потерь на прокручивание). Это свойство особенно важно дляавтомобилей, так как наибольшие мощность двигателя и время работы здесь происходитименно на таких передаточных отношениях, называемых в автомобилестроении«высшими». Следует отметить, что именно дисковый вариатор, в отличие отвариаторов других типов, наилучшим образом подходит для планетарной схемы, таккак все его рабочие элементы вращаются в одной плоскости и не подвержены весьмавысоким гироскопическим воздействиям, пагубно влияющим на подшипникисателлитов. Вариаторы же с гибкой связью практически непригодны дляиспользования по планетарной схеме. По своей несущей способности иэксплуатационным показателям – это один из лучших вариаторов.
Однако вариаторам «Disco»присущи следующие существенные недостатки, анализ которых необходим дляпонимания работы нового вариатора.
Невозможность повышенияпередаваемого крутящего момента и мощности путем простого увеличения числарядов дисков, так, как это делается в многодисковых вариаторах. Это происходитиз-за того, что внешние и внутренние центральные фрикционные диски приизменении передаточного отношения перемещаются в противоположных направлениях.Например, при сближении внешних дисков, внутренние раздвигаются, и наоборот.
Внешние и внутренниефрикционные диски представляют собой жесткие, практически недеформируемые восевом направлении элементы, из-за чего усилие нажима воспринимают при шестисателлитах лишь 70% точек контакта. Это вызывает падение КПД и допускаемыхконтактных напряжений, повышает вероятность заеданий и требует весьма точноговыполнения дисков-сателлитов по толщине (жесткий допуск на разнотолщинность),что повышает стоимость изделия.
Весьма неблагоприятныеусловия нажима фрикционных дисков, связанные со способом регулированияпередаточного отношения. Нажимы во внешнем и во внутреннем фрикционныхконтактах без учета центробежных воздействий в этих вариаторах одинаковы,причем они повышаются при увеличении частоты вращения выходного вала, то естьпри уменьшении передаточного отношения («выдавливании» сателлитов к центру). Вэтом же положении максимальны центробежные эффекты сателлитов, дополнительносущественно нагружающие их зоны контактов с внутренними дисками. Анализпоказывает, что требуемые, то есть оптимальные нажимные усилия прямопротивоположны имеющимся, из-за чего при малых передаточных отношениях сильно –в десятки раз – перегруженными оказываются контакты сателлитов с внешнимидисками. Следствия этих пережимов видны из рис.2, на котором приведеныэкспериментальные зависимости КПД вариатора «Disco» и нового планетарногодискового прогрессивного вариатора от частоты вращения выходного вала.Наибольшее падение КПД наблюдается у вариаторов «Disco» в наиболееиспользуемом, особенно для автомобилей, режиме максимальных частот вращениявыходного вала (минимальных передаточных отношений).
/>
Рис. 2. Экспериментальныеграфики зависимости КПД от частоты вращения выходного вала: 1 – новогопланетарного дискового прогрессивного вариатора; 2 – вариатора «Disco» фирмы«Lenze»
Способ регулированияпередаточного отношения вариаторов «Disco», определяемый их конструкцией,неприменим для их использования на автомобилях и других машинах с динамичнымизменением режимов работы. Помимо неблагоприятных условий нажима дисков,вызываемых этим способом, даже при наличии сервосистемы изменения передаточногоотношения, системы датчиков и электронного блока управления, реакция механизмана увеличения усилия прижима внешних дисков (а именно так происходит изменениепередаточного отношения) наступает весьма нескоро. Перемещение сателлитовпроисходит из-за упругих деформаций стальных жестких дисков и осуществляетсяочень медленно – до 250 секунд. Оперативного изменения передаточного отношенияпутем непосредственного перемещения сателлитов здесь осуществить нельзя.
Между тем самапланетарная схема дискового вариатора настолько перспективна по сравнению сдругими вариаторами, что авторы сочли целесообразным создать на этой основевариатор, лишенный отмеченных недостатков и обеспечивающий следующие полезныесвойства.
Многодисковостьконструкции при совмещении по оси внешних и внутренних рядов фрикционныхдисков. Это позволит повышать несущую способность вариатора пропорциональночислу рядов дисков при незначительном увеличении его габаритов по длине.
Равномерность прижимавсех зон контактов при любом числе сателлитов, что позволяет избежать заеданийпри высоких значениях контактных напряжений, допустимых для точечного исходногоконтакта. Достигается это использованием упруго-податливых центральныхфрикционных дисков, компенсирующих разнотолщинность сателлитов.
Оптимизированныйавтоматический прижим фрикционных дисков, зависящий от передаточного отношениявариатора. Это позволяет учитывать изменяющийся коэффициент упругогидродинамического(УГД) трения во фрикционных контактах, также зависящий от передаточногоотношения вариатора. Анализ показывает, что для большого числа важнейшихприменений вариаторов этот способ прижима фрикционных элементов наиболееподходит.
Это относится, например,к приводам от электромашин переменного тока с практически постоянной частотойвращения. Обеспечивая наилучшие показатели при максимальной мощности, такойспособ прижима практически не снижает эффективности и при уменьшениипотребляемой мощности в 2...3раза, так как пережим в это число раз оченьнезначительно снижает КПД (сравните с пережимом в десятки раз у вариаторов«Disco»).
Это же относится кнаиболее массовому и перспективному потребителю вариаторов – автомобилю. Невдаваясь в нюансы этого достаточно сложного вопроса, отметим, что на режимахполной подачи топлива, а именно на этих режимах работают современные системыавтомобильных трансмиссий с вариаторами, зависимость прижима дисков отпередаточного отношения наиболее эффективна. На частичных режимах подачитоплива предполагается работать только в редких случаях, да и при этом КПДсамого двигателя снижается настолько резко, что незначительное снижение КПДвариатора из-за пережима дисков здесь окажется практически незаметным.
На таких потенциальномассовых потребителях вариаторов с высоким КПД как ветроэлектростанции,предполагаемый способ нажима наилучший, так как здесь все силовые параметрывариатора, в том числе и нажим, зависят от частоты вращения ветроколеса, а этопри постоянной частоте вращения генератора означает, что и от передаточногоотношения вариатора.
Главное, на наш взгляд,свойство – это саморегулируемость, адаптивность, или используя применяемый длявариаторов термин – «прогрессивность». Это свойство особенно ценно тогда, когдаоно достигается не использованием дополнительных сложных, дорогих и ненадежныхсиловых сервосистем с датчиками, электронными блоками управления исерводвигателями с исполнительными механизмами, а органически свойственноданной конструкции вариатора. Это достигается в конструкции нового вариатораобъединением систем нажима и изменения передаточного отношения. К тому жепредусмотрена возможность принудительного (по желанию оператора) изменения находу степени этой прогрессивности или «мягкости» зависимости частоты вращенияот момента сопротивления на выходе. Разумеется, предусмотрено инепосредственное принудительное изменение передаточного отношения, в том числев ряде случаев и на неподвижном вариаторе, что принципиально невозможно навариаторах «Disco» и на подавляющем большинстве других фрикционных вариаторов.
Эти свойства новоговариатора, работа над которым ведется в Московском государственноминдустриальном университете (МГИУ) около 20 лет, отражены в патентах России [1,2].
Принципиальная схемавариатора представлена на рис.3. На этой схеме вариатор включает всего два рядацентральных фрикционных дисков – неподвижных внешних 9, установленных в корпусе18, и внутренних 5с зажатыми между ними сателлитами 7 при помощи тарельчатых(или просто плоских дисковых) пружин 4 и 8, соответственно. Однако по схемепонятно, что этих рядов может быть сколь угодно много, сколько выдержат попрочностным и жесткостным показателям оси сателлитов 10, и их подшипники 6. Неисключаются и промежуточные поддерживающие опоры на осях 10, преимущественнопри числе рядов выше четырех. Число сателлитов в одном ряде преимущественношесть, как и в вариаторах «Disco», хотя для мощных устройств с малым диапазономварьирования (например, для мощных ветроустановок), их может быть до 12.Подшипники 6 осей 10 находятся на одном конце поворотных рычагов 19, на другихконцах которых размещены противовесы 11, одна группа которых снабжена роликами12, находящимися в фасонных прорезях 20 диска 13, связанного с выходным валом17.
/>
Рис. 3. Схема новогопланетарного дискового прогрессивного вариатора: 1 – ось поворотных рычагов; 2– водило; 3 – входной вал; 4 – тарельчатая пружина; 5 – внутренний центральныйфрикционный диск; 6 – подшипники сателлитов; 7 – сателлит; 8 – плоская дисковаяпружина; 9 – неподвижный внешний центральный фрикционный диск; 10 – осьсателлитов; 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 – жидкийсмазочный материал.
Поворотные рычаги 19сидят на осях 1, закрепленных в водиле 2. Ролики 12 отжимаются на перифериюпружинами 15, усилие которых может изменяться принудительно с помощью рычажногомеханизма 16, воздействие на который осуществляется рычагом 14. Рычаг можетпередвигаться как вручную (например, с помощью винтового механизма, если нужнопринудительно устанавливать нужные передаточные отношения), так и с помощьюусилителей, имеющих упругую характеристику (например, пневмокамер, управляемыхот пневмосистемы). Следует отметить, что вариатор является прогрессивным и безмеханизма изменения усилия пружин. Но тогда он будет иметь всего одну «мягкую»рабочую характеристику, например, как у гидротрансформатора илиэлектродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Описанныймеханизм изменения усилия пружин (как в сторону его уменьшения, так иувеличения) изменяет лишь степень «мягкости» характеристики вариатора, позволяяработать на любом режиме, что особенно важно для автомобильной автоматическойтрансмиссии. В таком случае рычаг 14 будет связан с педалью управленияскоростью автомобиля, с дополнительным усилителем или без него.
При изменении крутящегомомента на выходном валу 17, ролик 12, находящийся до этого в прорези 20 вуравновешенном состоянии, под действием усилий пружин 4, 8, 15, тангенциальныхусилий рабочего момента и других усилий в механизме вариатора, изменяет своеположение в прорези, меняя при этом передаточное отношение. Нажимные пружины 4и 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», обеспечиваютоптимальный по КПД нажим фрикционных дисков, с запасом β=1,25...1,5. Прорезь20 может быть выполнена и такого профиля, когда она лишь уменьшает илиполностью устраняет усилие перевода ролика 12 при изменении передаточногоотношения. Таким образом, свойство прогрессивности является как бы «врожденным»свойством, присущим конструкции вариатора, и достигается лишь подбором формыпрорези 20 и жесткости пружины 15.
Опытный образецописанного вариатора в виде мотор-вариатора был рассчитан и спроектированавторами данной работы и изготовлен на АМО ЗИЛ по совместному тематическомуплану с Московским государственным индустриальным университетом (МГИУ). Прирасчете вариатора были использованы созданные при участии авторов методики ипрограммы [3]. Проектирование вариатора осуществлялось в системе трехмерногомоделирования CATIA (рис.4). Заметим, что опытный образец мотор-вариатора,имеющий самостоятельное значения для общепромышленного назначения, для АМО ЗИЛявляется первым этапом создания автоматической бесступенчатой коробки передач,в частности для автобуса ЗИЛ-3250.
/>
Рис. 4. Изометриямотор-вариатора
Для испытаниймотор-вариатор был снабжен тормозным устройством с водяным охлаждениемтормозного барабана и с возможностью регулирования тормозного момента (рис.5).
/>
Рис. 5. Общий видмотор-вариатора с тормозным устройством
Испытания опытногообразца показали, что вариатор действительно является прогрессивным, имея«мягкую» характеристику, представленную на рис.6.
/>
Рис. 6. Зависимостькрутящего момента на выходе Мвых от частоты вращения выходного валаn2 и передаточного отношения i мотор-вариатора
При этом на высокихпередаточных отношениях, в данном случае кинематическом, равном i=9, а реальномоколо i=13, проскальзывание достигало 35%, а значение передаваемого крутящегомомента все возрастало. Эту необыкновенную «живучесть» фрикционного вариаторамы объясняем высоким значением фактора верчения при высоких передаточныхотношениях данного вариатора. Похожий эффект возрастания коэффициентаУГД-трения при высоких значениях проскальзывания и фактора верчения был полученпроф. H.Vojacek в трибологической лаборатории в г. Гмунде, Германия [4]. Какизвестно, при малых значениях фактора верчения уже небольшие значенияскольжения вызывают падение коэффициента УГД-трения и буксование фрикционной передачи,что показано многочисленными испытаниями на роликовых стендах.
Концепция новогопрогрессивного вариатора в его автомобильном назначении в качествеавтоматической бесступенчатой коробки передач была описана в [5, 6], в качествесоставной части автомобильного гибрида в [7, 8], и в качестве новогоперспективного типа движителя автомобиля, где вариатор встроен в ступицуведущего колеса – вариоколеса, в [9].
Наиболее крупнойспроектированной конструкцией на основе разработанного вариатора является вариатор-мультипликатордля ветроустановки мощностью 680кВт. Следует заметить, что сдвоенный вариатортакой мощности с одним механизмом управления, расположенным в середине, можетпередать мощность 1,5МВт, что достаточно для самой распространенной в перспективемодели ветроустановки. Следует отметить, что как мощность, передаваемая черезкаждую зону контакта при этом, так и особенно мощность потерь, переходящая втепло, здесь значительно меньшие, чем способна передать зона контакта дажеменьшего размера, что показано испытаниями на стендах [10].
В качестве жидкогосмазочного материала (ЖСМ) предполагается использование как моторного масла(например, для коробки передач к автобусу ЗИЛ-3250, имеющей большой запас помощности), 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 невызывают.
Список литературы
Многодисковый планетарныйвариатор / Н.В.Гулиа. – Патент России №2140028; 26.05.98.
Автоматическаябесступенчатая 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 параметровфрикционного дискового вариатора // Справочник. Инженерный журнал. – 2001. –№1. – С.30...39.
Vojacek H.,Traktionsfluide Struktur und Eigenschaften vor alle Reibungsverhalten, ElmatikGmbH, 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 иавтобусов. Перспективы использования // Грузовик & Автобус, троллейбус,трамвай. – 1999. – №12. – С.7...12.
Гулиа Н.В., ЮрковС.А.Гибридные силовые агрегаты для городских автобусов // Грузовик &Автобус, троллейбус, трамвай. – 2000. – №1. – С.10...14.
Гулиа Н.В., ЮрковС.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 // Автомобильнаяпромышленность. – 2000. – №10. – С.19...21.
Елманов И.М., КолесниковВ.И.Термовязкоупругие процессы трибосистем в условиях упругогидродинамическогоконтакта. – Ростов-на-Дону: Центр Высшей школы, 1999. – 173с.