НурбейГулиа, Дмитрий Ковчегин, Сергей Юрков, Екатерина Петракова
Испытаниянового планетарного дискового вариатора (пат. РФ№2140028, автор – Н.В.Гулиа)показали, что он обладает свойством адаптивности, или приспособляемости квнешним воздействиям, в данном случае – моменту сопротивления на выходном валу[1]. Однако, анализ экспериментальных характеристик этого вариатора [2]показал, что упомянутая адаптивность распространяется на значительно болееширокий диапазон варьирования, чем он предусмотрен конструкцией вариатора. Так,например, при максимальном кинематическом передаточном отношении вариатора iк,определяемом величиной перемещения подвижных фрикционов – сателлитов [1],равном 7,84, реальное передаточное отношение iр достигало 14 иболее. Предположение, что такое значительное снижение частоты вращениявыходного вала связано только с проскальзыванием рабочих тел (фрикционов)вариатора, характерное для описания этого явления в научной литературе [3],оказалось несостоятельным. Дело в том, что при таком повышении реальногопередаточного отношения iр КПД вариатора падал не так резко, как этодолжно было происходить, а главное – момент на выходном валу продолжалповышаться, чего просто не могло быть при простом проскальзывании. Между тем,наличие того или иного проскальзывания обязательно при работе фрикционноговариатора. Для разрешения возникшего противоречия авторы провели подробныйанализ явления повышения реального передаточного отношения iр запределами границ, разрешенных кинематикой вариатора – iк.
Авторыпредположили, что на изменении передаточного отношения сказываются два фактораодновременно – упругогидродинамическое (УГД) скольжение s и пассивнаяадаптивность. Была поставлена задача установить роль каждого из указанныхфакторов.
Наоснове анализа экспериментальных данных, полученных на испытательном стендекафедры «Детали машин» Московского Государственного ИндустриальногоУниверситета (МГИУ), а также данных [3], Е.А.Петраковой получены соотношения,отражающие влияние как УГД скольжения, так и пассивной адаптивности наизменение ip.
УГДскольжение – сложный физический процесс, но в технике его действие можно свестик следующему.
1.УГД скольжение s снижает частоту вращения выходного вала при постоянной частотевращения входного, а, следовательно, повышает ip за счет егосоставляющей iск:
iск = 1 / (1 – s). (1)
2.УГД скольжение не изменяет соотношения вращающих моментов на выходном T2и входном T1 валах.
3.Потери мощности Nск при УГДскольжении прямо пропорциональны величинеУГДскольжения s, а КПД, зависящий от УГДскольжения, равен:
ηск = (1 – s). (2)
Подпассивной адаптивностью (или пассивной адаптацией) в теории автоматическогоуправления понимается способность системы обеспечивать требуемые качествауправления при изменении параметров объекта управления в определенных пределах.Таким обобщенным параметром объекта управления в данном случае может служитькоэффициент запаса по сцеплению β, хорошо известный из трибологии*:
*Трибология (от греч. tribos – трение и… логия), научная дисциплина,занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов в присутствиисмазочных материалов.
β = (Fn · f ) / Ft , (3)
гдеf–коэффициент трения; Fn, Ft – соответственно, нормальныеи тангенциальные составляющие силы в фрикционном контакте.
Исходяиз [1], при фиксированных Fn (нажим в контакте) и f, именно значениеβ определяет величину Ft, а, следовательно, и момент навыходном валу.
Влияниепассивной адаптивности можно определить из рассмотрения зоны фрикционногоконтакта ведущего и ведомого тел качения вариатора (рис.1).
/>
Рис.1. Зона фрикционного контакта ведущего и ведомого тел качения вариатора
ЦентрыО1 и О2 а также, радиусы R1 и R2,соответственно, относятся к ведущему и ведомому телам качения; m– смещениенескользящей точки О, тем большее, чем меньше β.
Такимобразом, при нахождении точки О в центре зоны контакта и m=0 (Ft=0 имомент на валах равен нулю), кинематическое передаточное отношение:
iк = ω2 /ω1 = R2 / R1. (4)
Припоявлении и возрастании усилия Ft в передаче m возрастает и реальноепередаточное отношение ip (пока без учета УГД скольжения) тожерастет:
iр= (R2 + m) / (R1 – m). (5)
Есливыразить для этого случая
ip = iк · im , (6)
гдеim – передаточное отношение, зависящее от смещения нескользящейточки, то:
/> (7)
Реальноепередаточное отношение вариатора можно выразить как произведение егосоставляющих im и iск на кинематическое передаточноеотношение iк:
ip = iк · im · iск. (8)
Накафедре «Детали машин» МГИУ проводились испытания дисковой фрикционной передачис повышением частоты вращения от входного вала к выходному, поэтому в данномслучае мы оперируем с передаточным отношением, которое меньше единицы iк=0,17.
Награфике рис.2 показано как изменилось бы кинематическое передаточное отношениеiк –кривая 1 вследствие смещения нескользящей точки; без учетаУГДскольжения – кривая3; и как влияет УГДскольжение, без учета смещениянескользящей точки, на изменение iк – кривая 2. Кривая 4 отображаетреальное передаточное отношение iр, полученное экспериментально наиспытательном стенде кафедры «Детали машин» МГИУ. Важно заметить, что реальныепередаточные отношения, полученные экспериментально, хорошо согласуются срасчетными ip вычисленными по предложенной выше методике для различныхβ.
/>
Рис.2. Зависимость передаточных отношений от коэффициента запаса по сцеплениюβ: 1– кинематического iк; 2 – с учетом УГД скольжения is;3 – с учетом смещения нескользящей точки im; 4 – реального iр
Награфике рис.3 приведены зависимости im/iк (кривая 1) и iск/iк(кривая 2) от коэффициента запаса по сцеплению β.
/>
Рис.3. Зависимость относительных величин icк/iк и im/iкот коэффициента запаса по сцеплению β: 1–im/iк; 2–icк/iк
Важнозаметить, что вращающий момент на выходном валу не учитывает величину iск:
T2 = T1 iкim ηск ηгеом ηдоб , (9)
гдеηгеом – КПД геометрического скольжения, хорошо известный изтриботехники; ηдоб–КПД, зависящий от потерь мощности в опорах,на гистерезис и сдавливание масла в контакте, циркуляцию мощности и пр.
Вычислениеηгеом и ηдоб для вариатора приведено, например,в[4].
Награфике рис.4 приведены зависимости общих потерь скорости на ведомом звене какот УГД скольжения, так и от смещения нескользящей точки – δ (кривая 3), атакже зависимости потерь скорости только от УГД скольжения – δs(кривая 1) и потерь скорости только от смещения нескользящей точки – δm(кривая 2) от значений β.
/>
Рис.4. Зависимость потерь скорости на ведомом звене от коэффициента запаса посцеплению β: 1 – потери скорости от УГД скольжения δs; 2 –потери скорости, связанные со смещением нескользящей точки δm;3–общие потери скорости δ
Таккак при заданных кинематических положениях рабочих тел, определяющих нажим Fnдля данного вариатора, значение Ft и T2, зависящие от imбудут увеличиваться при снижении β, для упрощения расчетов введем значениеприведенного коэффициента трения f′=f/β, который при снижении βменьше единицы f′>f. Следует заметить, что при высоких значениях Ftи T2 возрастает УГД скольжение s, что снижает коэффициент трения f′.Поэтому целесообразно, повышая величину m и снижая β, делать это доопределенного предела, различного для разных скоростей и давлений в контактетак, чтобы значение f′ только повышалось. Иначе при наличии чистодиссипативных нагрузок на ведомом валу (например, момента трения), можетначаться полное буксование вариатора. Опыт показывает, что в новом вариатореэто явление практически не происходит, даже при двукратном увеличении реальногопередаточного отношения по сравнению с максимальным кинематическим iкmax.
Награфике рис.5 представлено изменение крутящего момента T2 навыходном валу нового планетарного дискового вариатора по экспериментальнымданным [2] в зависимости от реального передаточного числа uр.
Отметим,что в понижающей передаче, какой является данный вариатор, передаточное число uравно передаточному отношению i. Кинематическое передаточное число (илиотношение) данного вариатора изменяется в пределах 1,3...7,84.
Следуетзаметить, что в планетарном вариаторе, имеющем два контакта – наружный ивнутренний, нескользящие точки в обоих контактах смещаются в одном направлении– к оси вращения ведущего диска. Кроме того, УГД скольжение имеет место также вобоих контактах. Оба указанных фактора наряду с особенностями планетарноговариатора еще больше увеличивают реальное передаточное число, по сравнению с непланетарной схемой. Следует заметить, что при ip>iкmaxэто свойство вариатора обеспечивает, в частности, более плавный стартавтомобиля с трансмиссией использующей вариатор.
Максимальноезначение кинематического передаточного отношения iкmax=7,84 показанона графике рис.5 точечным маркером. Входной вал вариатора приводился отасинхронного двигателя с двумя парами полюсов, синхронная частота вращениякоторого 1500мин–1.
/>
Рис.5. Зависимость крутящего момента на выходном валу T2 вариатора отреального передаточного числа uр
Видно,как кривая возрастает даже при iр>iкmax, а затем при,достигающих весьма высоких значений, начинает стабилизироваться по величине.При этих значениях iр величина f′ достигает максимума.
Свойствоповышать величину крутящего момента на выходном валу даже после снижения егочастоты вращения ниже минимальной, исходя из iкmax, ранее былоназвано авторами «живучестью» вариатора. «Живучесть» нового вариатора позволяетсущественно повысить его способность к перегрузкам и к реализации высокихпередаточных отношений, что особенно полезно, например, при старте и разгонеавтомобиля, преодолении им пиковых сопротивлений.
Списоклитературы
Gulia N.V., Martin F., YurkovS.A., KovcheginD.A. New adaptivevariator for automobile automatic stepless transmission and its experimentalcharacteristics. НиТ, 2002.
ГулиаН.В., КовчегинД.А., ЮрковС.А. Основные экспериментальные характеристики новогоадаптивного вариатора. НиТ, 2002.
Vojacek H., Tribologisches Forschungs-Labor, Rechenschaft«Elmatik» GmbH, 1985.
Гулиа Н.В., ЮрковС.А., ПетраковаЕ.А.,КовчегинД.А., ВолковД.Б. Методика расчета основных параметров фрикционногодискового вариатора // Справочник. Инженерный журнал. – 2001. – №1. –С.30...39.