CC BY
34
Белкина А.П.1, Кодинцев Н.П. 2 ©
Студент; к.т.н.; кафедра автомобиле- и тракторостроения, Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана
РАЗРАБОТКА ГИБРИДНОГО ВАРИАТОРА НА ЛЕГКОВОЙ АВТОМОБИЛЬ
Аннотация
В данной работе показано, что путем усовершенствования конструкции вариатора повышается надежность, увеличивается диапазон регулирования передаточного числа бесступенчатой трансмиссии, улучшается управляемость вариатором.
Ключевые слова: Вариатор, трансмиссия, электромашинный гибридный вариатор. Keywords: variator, transmission, electromachine hybrid variator.
Вариатор. Вариатор (обиходное название - вариаторная коробка передач) является бесступенчатой коробкой передач, т. е. обеспечивает в заданном диапазоне плавное изменение передаточного числа. Вариаторная коробка передач имеет общепризнанное название (аббревиатуру) CVT - ContinuouslyVariableTransmission (в переводе - постоянно изменяющаяся трансмиссия).
Основное преимущество вариатора по сравнению с другими коробками передач заключается в эффективном использовании мощности двигателя за счет оптимального согласования нагрузки на автомобиль с оборотами коленчатого вала, тем самым достигается высокая топливная экономичность, непрерывное изменение крутящего момента, отсутствие рывков обеспечивают высокий уровень комфорта при передвижении на автомобиле с вариатором.
Ввиду ограничений по мощности вариаторы на сегодняшний день применяются только на легковых автомобилях, правда диапазон их использования вследствие технического прогресса постоянно расширяется. Другой минус вариаторной коробки передач заключается в достаточно высокой технической и технологической сложности конструкции.
Типы вариаторов. Из всего многообразия различных видов вариаторов на автомобилях нашли применение только два - клиноременный и тороидный вариаторы.
Наибольшее распространение получил клиноременный вариатор.
Клиноременный вариатор (рис. 1) состоит из одной, реже двух ременных передач. Передача включает два шкива, соединенные клиновидным ремнем. Шкив образуют два конических диска, которые могут сдвигаться или раздвигаться, обеспечивая тем самым изменение диаметра шкива. Для сближения конусов используется гидравлическое давление, центробежная сила, усилие пружин. Конические диски имеют угол наклона 20°, при котором обеспечивается перемещение ремня по поверхности шкива с наименьшим сопротивлением.
© Белкина А.П., Кодинцев Н.П., 2015 г.
2
/
6
\
7
Рис. 1. Схема клиноременного вариатора
1 - маховик с демпфером крутильных колебаний; 2 - фрикцион заднего хода; 3 -промежуточная передача; 4 - вариатор; 5 - электронный блок управления; 6 - гидравлический блок управления; 7 - фрикцион переднего хода; 8 - планетарный механизм.
Большинство современных вариаторных коробок передач используют гибкий металлический ремень, который изготавливают из нескольких (10-12) полос стали и связанных с ней фасонных частей в виде бабочки. Ремни данной конструкции имеют высокую прочность, долговечность, гибкость (минимальный радиус изгиба 30мм), низкий уровень шума. В вариаторной коробке передач применяется, как правило, электронная система управления, которая осуществляет синхронное изменение диаметра шкивов вариатора в соответствии с режимами работы двигателя, управление сцеплением и обеспечивает работу планетарного редуктора.
Особенности конструкции тороидного вариатора. Тороидный вариатор (рис. 2) включает два соосных вала со сферической (тороидной) поверхностью, между которыми зажаты ролики. Изменение передаточного числа в тороидном вариаторе производится за счет изменения положения роликов, а передача крутящего момента за счет сил трения между рабочими поверхностями колес и роликов.
Рис. 2. Схема тороидного вариатора
1 - гидротрансформатор; 2 - шестерни заднего хода; 3 - ведущие диски;4 - ролики; 5 - ведомые диски;
6 - насос.
Плюсы и минусы существующих вариаторных коробок. Вариаторная коробка передач устанавливается на многих марках современных автомобилей, например: MitsubishiLancer Х, NissanMurano, ToyotaPrius, OpelCorsa, Astra, некоторые автомобили Mercedes, Audi и т.д. Это легковые автомобили средней проходимости.
Ресурс конструкции клиноремённого вариатора составляет в среднем 150-200 тысяч км. Самым слабым местом является пластинчатый ремень (рис. 3). Из-за частой буксовки в грязи, резком переключении селектора из положения «D» в «R» ремень быстро изнашивается, пластины выходят из строя и вариатор требует немедленного ремонта. Также, в случае отказа датчика скорости, блок управления моментально скидывает ремень в среднее аварийное положение, вызывая тем самым экстренное торможение двигателем. В этом случае ремень деформируется, а иногда может и вовсе разрушиться. Ещё один существенный минут клиноремённого вариатора - это дороговизна обслуживания и ремонта.
Рис. 3. Пластинчатый ремень вариатора
Данные ограничения не позволяют установить данный вариатор на автомобиль повышенной проходимости. Чтобы создать бесступенчатый механизм переключения передач без проблем с пластинчатым ремнём и износом шкивов, необходимо разработать конструкцию принципиально нового вариатора на основе планетарного редуктора, который выдерживал бы усилие от плохих дорожных условий.
Новую конструкцию вариатора целесообразно установить на автомобиль УАЗ Patriot
4х4.
Конструктивное решение нового механизма. Примером такой конструкции может служить бесступенчатый электромашинный гибридный вариатор с цифровым управлением. (Патент РФ №2095665 Дружков В.В.)(рис. 4).
Рис. 4. Схема бесступенчатого гибридного вариатора
Описание конструктивного устройства вариатора:
1 - двигатель внутреннего сгорания;
2 и 3 - элементы токопередающего устройства;
4 - первичный вал вариатора (соединен с валом двигателя);
5 - подшипник (промежуточный между первичным и вторичным валом);
6 - статор, закрепленный на первичном валу (4) и соединенный электрически с токопередающим устройством (3);
7 - ротор, закрепленный на вторичном валу 9, который вращается на подшипнике 8; на раме 11 кроме двигателя закреплен генератор 16;
генератор приводится во вращение двигателем через ременную передачу 10, на раме закреплен датчик 13 оптопар;
между датчиком и приемником вращается диск с прорезями 12, который измеряет частоту вращения двигателя (т.е. представляет собой тахометр), на раме закреплен датчик 14;
между датчиком и приемником вращается диск с прорезями 15, который измеряет частоту вращения вторичного вала (т.е. представляет собой тахометр);
17 - контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), осуществляющий управление силовыми ключами 1 кл.-6 кл.;
18 - управляемый делитель частоты (синтезатор частоты), делит частоту 50 МГц, подаваемую опорным генератором 23.
Коэффициент деления частоты определяется кодом, подаваемым на делитель частоты 18 с компьютера 19;
20 - включатель, срабатывает при нажатии на педаль тормоза;
21 - включатель, срабатывает при нажатии на педаль газа;
22 - шунт, добавочное сопротивление с которого снимает напряжение для измерения;
24 - генератор, управляемый напряжением, служит для измерения тока нагрузки в цепи вариатора;
25 - рычаг переключения коробки передач.
Ожидаемый технический результат. Технический результат заключается в повышении надежности, увеличении диапазона регулирования передаточного числа бесступенчатой трансмиссии, улучшении управляемости вариатором. Это достигается за счет того, что вариатор, содержащий первичный вал, соединенный с валом двигателя, который вместе с генератором закреплен на раме, отличается тем, что статор закреплен на первичном валу и соединен электрически с токопередающим устройством, а ротор, закрепленный на вторичном валу, выполнен с возможностью вращения на подшипнике.
Литература
1. FINDpatent. Бесступенчатый гибридный вариатор с цифровым управлением. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/236/2362687.htm1
2. Systemsauto. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://systemsauto.ru/box/variator.html.
3. Основы конструкции автомобиля / А.М. Иванов, А.Н. Солнцев, В.В. Гаевсткий и др. - М.: ООО «Книжное издательство «За рулём», 2005. - 336 с.
