Вариоколесо та її перспективи для автомобілів

Вариоколесо та її перспективи для автомобилей

Нурбей Гулиа, Мартін Ференц, Сергій Юрков Механические бесступенчатые передачі - вариаторы, останнім часом знаходять всі більше застосування автомобілями. Здебільшого, це вариаторы з гнучким ланкою — який тягне чи який штовхає, котрі за ряду причин обмежені перспективи як коробок передач автомобілів. На думку, як такий перспективні планетарні дискові вариаторы, мають проти згаданими істотно великі довговічність, ККД на вищих передачах, простоту і компактність. Докладний з порівняльного аналізу вариаторов — дискових і з гнучким ланкою, як і опис принципу дії нового планетарного дискового вариатора, викладені у статті Н. В. Гулиа, А. Е. Власова і С. А. Юркова «Механічна бесступенчатая передача для вантажних автомобілів і автобусів. Перспективи использования».

Компактность нових вариаторов, цилиндричность їх форми, органічно властива їм автоматичність, і навіть дистанційне управління режимом («жорсткістю») цієї автоматичності, дозволяють вбудовувати вариатор в маточину ведучого колеса автомобіля, зокрема і із бортовий понижуючої передачею. У результаті виходить новим типом ведучого колеса автомобіля, під назвою нами скорочено вариоколесом, і у якого оригінальними експлуатаційними властивостями, що підвищують споживчі властивості автомобіля та її конкурентноспособность. На думку, це, переважно, стосується автомобілів з кількома провідними осями, тягачів спеціального призначення, зокрема і землерийних машин, і навіть автобусів, тобто автомобілів, де вважається перспективним використання електричних чи гідравлічних мотор-колес.

Если порівнювати вариоколеса з мотор-колесами, всі вони забезпечують подібні експлуатаційні переваги — безступінчастий зміна частоти обертання і моменту колеса, відсутність потреби у межколесных і межосевых дифференциалах за збереження безперервного тягового зусилля на колесах, застосування, за необхідності, незалежної підвіски головних коліс. У цьому якщо вариоколесо загалом, вимагає трохи більше ускладненого підвода потужності порівнянні з мотор-колесами, то набагато менше габарити, маса, складність, вартість устрою, як вбудованого в колесо, і наявного на шасі (генератор чи насос, перетворювачі, систему управління), і навіть істотно більший ККД, є безсумнівними перевагами вариоколеса.

Как буде показано нижче, підвід обертання за дуже низьких моментах, менше моменту двигуна без коробки передач, до вариоколесу, не вимагає простору помітно більшого, ніж підвід потужності проводами чи з трубах рідиною. У принципі так, може бути підвід потужності і гнучкими валами в рукавах, навіть зовні мало відмінними від кабелів чи гнучких шлангов.

Ввиду те, що автори є фахівцями з многоосным автомобілі й транспортної спецтехніки, й роблять, переважно, автобусами, тут розглядатимуться, переважно, перспективи використання вариоколес для міських автобусів, і тільки частково згадані цих перспектив й інших видів транспортних коштів. Зокрема, особливі зручності і представляють вариоколеса для автомобілів, тракторів і тягачів, мають великі колеса, наприклад, великих самоскидів, тягачів, бульдозерів, скреперів тощо.). Крутний момент, рухаючись вариатором, залежить від куба його діаметра, для великих коліс можливо використання навіть однодискових вариаторов без додаткового бортового редуктора. Потужність, передана дисковими вариаторами може досягати 500 і від кВт на одне агрегата.

Вариоколесо на основі двухскатных бездисковых коліс для шин типу 12.00−20 (типових для великих міських автобусів типу «Ікарус»), представлене рис. 1.

.

Рис. 1. Вариоколесо з урахуванням двухскатных бездисковых коліс (малюнки в форматі AutoCAD, 235 кб) Низкомоментная, тобто розрахована на номінальний крутний момент, приблизно половинний від крутящего моменту двигуна, полуось 1 наводить у обертання центральні фрикційні диски 2, сжимаемые пакетом тарельчатых пружин 3. Проміжні конічні диски 4, вісь 5 яких, з'єднана з водилом 6, контактують і з нерухомими зовнішніми фрикционными дисками 7, посадженими до корпусу 8 і сжимаемыми пласкими дисковими пружинами 9. (Конструкція даного вариатора захищена патентом Росії № 2 140 028 від 26.05.98, автор Н.В.Гулиа). Крутний момент від водила 6 системою автоматичного регулювання з примусової установкою режимів передається на прорізної диск 10 (вихідний ланка вариатора) штатного бортового планетарного редуктора. Полумуфта 11 виконано з можливістю примусового виведення зі зачеплення з допомогою гвинта 12.

Система автоматичного регулювання вариатора, захищена патентом № 2 138 710 від 16.06.98. (автор Н.В.Гулиа), полягає в рівновазі сил, діючих із боку фасонных прорізів в прорізному диску 10 і пружин стискування 13 на ролики 14, осі яких поєднуються з поворотними важелями 15, перемещающими осі 5 проміжних дисків 4 в радіальному напрямі, що викликає зміна передатного відносини вариатора. Режим автоматичного регулювання залежить від поджатия пружин 13, здійснюваного сервомотором 16, у разі типу Д-400 В, потужністю 400Вт при 8000об/мин (24В), з планетарним чи хвилевим знижувальним редуктором 17 з передаточным ставленням 150 і конічній передачею 18, яка призводить гвинти 19 системи управління з гайкою 20. Слід зазначити, що цю систему передбачає і такі суто примусове регулювання передатного відносини вариатора, що доцільно при низьких (повзучих) швидкості машины.

При крайньому периферійному (верхньому) становищі дисків 4 котре знижує передатне ставлення даного вариатора — 9,91, а за її центральному (нижньому) становищі - 1,27. Котре Знижує передатне ставлення бортового редуктора — 3,7, отже загальне передатне ставлення механізму вариоколеса варіюється між 36,7 і 4,7. Якщо приймати частоту обертання полуоси при трогании з місця 800об/мин, то за максимального передатному відношенні вариоколесо обертатиметься із частотою близько 20об/мин (з урахуванням неминучого ковзання у передачі) і швидкість автобуса буде цьому близько 1м/с чи 3,6км/ч, що він відповідає реальним умовам трогания з місця. При частоті обертання полуоси — 2000об/мин і мінімальному передатному відношенні швидкість автобуса близько 22м/с чи 76км/ч, що досить для міського автобуса.

Расчетный ККД вариатора при трогании автобуса з місця близько 0,8, а за максимальної швидкості - 0,96, що з планетарної схеми вариатора і дійсних значень ККД фрикционных контактів дискового вариатора. Змальовуваний вариатор вміщує момент входу 600Нм, у своїй максимальне тягове зусилля на колесі може досягати 3,5…40кН, що з навантаженні головну вісь 9 т перебуває в межі зчеплення. Такі тягові можливості раціональні для вантажних автомобілів і машин підвищеної прохідності, а автобусів набагато перевершують необхідні значення. У цьому треба сказати, що контактні напруги в вариаторе досягають лише половинних від допустимих, залишаючи резерв майже восьмиразового підвищення переданого моменту, або зменшення вдвічі діаметра вариатора, що випливає з точечної вихідного контакту передачі. ККД вариатора, щоправда, у своїй кілька падает.

Система управління може забезпечувати примусове регулювання передатного ставлення за швидкості до 10км/час з точністю выдерживания швидкості (маневрування на стоянках тощо.) і автоматичної корекцією передатних відносин лівого і правого вариоколес залежно від кута повороту керованих коліс. При регулярному русі автобуса регулюванню піддається лише режим автоматичного управління: при сильному стисканні пружини 13 він «жорсткий», тобто передатне ставлення вариатора слабко підвищується при зростанні дорожніх опорів; при слабкому стискуванні пружини 13 він «м'який», тобто передатне ставлення вариатора, пов’язана з ним швидкість руху машини, сильно змінюється зі зростанням дорожніх опорів. У цьому повороти машини не вимагають межколесных диференціалів в трансмісії, оскільки невеличке зміна частот обертання коліс викликає будь-якою режимі лише слабка зміна тягових зусиль на колесах, тобто майже не позначиться на кінематиці і динаміці повороту. По змозі проскальзывания коліс (наприклад, при гололеде) це властивість відіграватиме лише позитивну роль, як у разі м’яких грунтів для машин підвищеної прохідності, хіба що замінюючи диференціал підвищеного тертя. Зауважимо, що на відміну більшості автоматичних передач, тут градацій регулювання режимів руху може бути як завгодно багато. Сервомотор у своїй включається лише зміни режиму руху, це є багато редко.

Как і мотор-колеса, вариоколеса можуть використовуватися як для звичайних схем силових агрегатів з приводом тільки від двигуна, так гібридних схем, які включають нагромаджувач енергії. На думку, в гібридних схемах і з тепловими двигунами, і з паливними елементами як основні джерела енергії, як накопичувачів енергії доцільно використання накопичувачів механічної енергії - супермаховиков. Для випадків використання теплових двигунів, які виділяють енергію як обертання валу, і споживанні цієї енергії як обертання полуоси ведучого колеса, й доцільність використання нагромаджувача, де енергія запасається й у вигляді обертання — супермаховика, очевидна. Для випадків ж використання паливних елементів ця доцільність обгрунтована у статті Н. В. Гулиа і С. А. Юркова «Нова концепція електромобіля». Слід зазначити, що у згаданої концепції використання вариоколес еквівалентно використанню вариатора в трансмісії, причому перше краще для электробуса з умов компоновки.

.

Рис. 2. Принципова схема гібридного силового агрегату автомобіля (автобуса) з використанням вариоколес (малюнки в форматі AutoCAD, 235 кб) Принципиальная схема найбільш загального випадку — гібридного силового агрегату автомобіля (автобуса) з допомогою вариоколес представлена на мал.2. Тут двигун 1 зі зчепленням 2 наводить у обертання як провідну шестірню 3 головною передачі, і супермаховик 4 через відповідну передачу з муфтою зчеплення. Головна передача містить реверс як звичайною зубчастою чи кулачковой муфти 5, подключающей полуосевые колеса переднього 6 чи заднього 7 ходу до полуоси 8, яка призводить вариоколеса 9. У серединном становищі муфти 5 включена нейтраль.

Выше було вже згадано, що передатне ставлення головною передачі близько до одиниці, тому момент у ньому і його габарити дуже малі; зокрема, момент, рухаючись полуосью практично вдвічі нижча моменту на первинному валу трансмісії після зчеплення. Порівняйте можна назвати, що конічні колеса 3, 6 і аналогічних сім за величиною близькі до провідним шестерням головних передач легкових автомобілів, розрахованих близький крутний момент. Аналогічні розміри будуть мати і підшипники цих коліс; в такий спосіб простір за висотою, займане даної головною передачею — реверсом справді може вписатись у товщину статі автобуса, тобто. висоту несучих элементов.

Здесь не розглядається принцип роботи гібридного силового агрегату автомобіля, звідси можна прочитати, зокрема, у журналі «Вантажівка…» (№ 1, 2000 р.) у статті Н. В. Гулиа і С. А. Юркова «Гібридні силові агрегати автомобілів», де наводиться їх докладний аналіз. Зауважимо, що з перетворення гібридної схеми на звичайну варто лише усунути супермаховичный нагромаджувач і відповідні привід до нього. Двигун у разі приблизно вдвічі міцніше, ніж у гібриді. Для перетворення схеми по мал.2 в схему електромобіля нової концепції, слід усунути двигун зі зчепленням, а супермаховичный нагромаджувач забезпечити вбудованим розгінним електродвигуном, питаемым від будь-якої джерела електроенергії, зокрема, від паливних елементів (стаття Н. В. Гулиа і С. А. Юркова «Нова концепція электромобиля».

.

Рис. 3. Схема компонування автобуса з мотор-колесами і політично незалежної підвіскою (малюнки в форматі AutoCAD, 235 кб) Применение вариоколес може забезпечити суттєві компоновочные переваги навіть у порівнянні з мотор-колесами. Розглянемо, наприклад, найбільш перспективну схему компонування автобуса, має низький рівень статі - всього 320 мм, з мотор-колесами і політично незалежної підвіскою фірми ZF (рис.3). Ширина проходу 900мм — усе це, що чоловік-українець може забезпечити схема з мотор-колесами. Слід пам’ятати, що генератор і частотні перетворювачі (або інвертори), значні є і габарити, обов’язково є у конструкции.

.

Рис. 4. Схема компонування автобуса з вариоколесами і політично незалежної підвіскою (малюнки в форматі AutoCAD, 235 кб) В схемою з вариоколесами (рис.4) завдяки малим осьовим розмірам, не які виходять за осьові габарити колеса, за тієї ж висоті статі забезпечується збільшена приблизно за 300 мм ширина проходу, усуваються тягові двигуни мотор-колес, генератор, перетворювачі; підвищується ККД приведення й діапазон зміни крутящего моменту, особливо важливі в гібридної схемою, де потрібно подвійне проходження енергії через привід — від нагромаджувача до колесам і за рекуперації енергії у протилежному напрямі. Максимальний крутний момент, рухаючись вариатором, значно перевершує створюваний тяговим двигуном даних розмірів, що забезпечує високі тягові зусилля і діяти динаміку машины.

При цьому підвід обертання до вариоколесу 1 може бути здійснений, у разі незалежної підвіски, які залежать від становища підлоги чи змін його висоти (до речі, дуже невеликих у регульованої пневмоподвески автобуса). Досягають цього фіксацією головною передачі 5 і полуосей 2 в підлозі машини 3 та зв’язку його з вхідним валом вариоколеса хитним циліндричним редуктором 4, як показано на рис. 4 справа. Пол може у цьому випадку займати різні за висотою становища щодо дороги, відповідно За і 3б, з передачею обертання від полуосей на вхід вариоколеса. Обкат циліндричних коліс хитного редуктора, теоретично змінює передатне ставлення від головною передачі але обід колеса, мало впливає (як і поворот машини) на даний момент, рухаючись вариоколесом через «м'якої» характеристики вариатора. Зауважимо, що з машин підвищеної прохідності дана схема то, можливо «перегорнуто» на 180 градусів і низький кліренс, доцільний для автобусів, замінили високий, необхідний для хорошою проходимости.

Применение вариоколес через можливостей нескладного досягнення високих передатних чисел (бортовим редуктором, вариатором, хитним редуктором) дозволяє вживати швидкохідні малогабаритні двигуни без ризику збільшення передатного числа і радіальних габаритів головною передачі, зі збереженням її передатного числа, близького до одиниці і виконанням мінімальних радіальних габаритів швидкохідної низкомоментной головною передачі - реверсу, яку доцільно виконувати конічній з круговим зубом.

Можно вважати перспективним заміну зчеплення двигуна высокомоментным синхронизатором розміщенням зчеплення з пневматичним управлінням у вариоколесе, в вільному просторі між бортовим редуктором і ободом колеса, що має підвищити ресурс всієї трансмісії, оскільки нагружение її відбувається за вже создавшемся олійному клине.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.