Новый многодисковый вариатор с «мягкой» рабочей характеристикой (стр. 2 из 3)
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...3раза, 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 5с 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].