Каковы же преимущества автомобилей с трансмиссией, имеющей в своем составе вариатор? Такие трансмиссии имеют два основных достоинства:
- плавное изменение передаточного отношения трансмиссии;
- обеспечение постоянного режима работы двигателя.
Гидродинамические передачи
Основное преимущество трансмиссии с гидротрансформатором - это способность в относительно широком диапазоне непрерывно и автоматически изменять в зависимости от сопротивления скорость и крутящий момент на выходном валу. Кроме того, гидротрансформаторы обладают высокой энергоемкостью, конструктивно просты и надежны в работе; почти все их элементы практически не подвержены износу. Динамическая характеристика автомобиля с гидротрансформатором и трехступенчатой коробкой передач показана на рис. 10-4.
Рис. 10-4
Гидротрансформатор в определенных пределах служит демпфером крутильных колебаний, в три-пять раз снижает динамические нагрузки на другие агрегаты трансмиссии, обеспечивает более устойчивую работу двигателя.
Однако следует отметить, что КПД гидротрансформаторов, используемых на современных автомобилях, не превышает при нормальных условиях эксплуатации величины 0,91. Таким образом, только лишь в этом агрегате трансмиссии теряется 9% мощности двигателя.
Гидростатические передачи
Гидростатические передачи принадлежат к типу передач с бесступенчатым изменением передаточного отношения, но, к сожалению, не обладают способностью делать это автоматически. Наиболее простая гидростатическая передача состоит из двух гидроагрегатов - насоса и мотора, которые соединены между собой гидравлической связью. В насосе механическая энергия двигателя превращается в гидравлическую, а в моторе она вновь переходит в механическую. Из-за такого двойного преобразования энергии гидростатические передачи обладают относительно низким КПД.
Гидроагрегаты бывают двух видов: роторно-поршневые радиального типа (рис. 10-5) и роторно-поршневые аксиального типа (рис. 10-6).
Рис. 10-5
Рис. 10-6
Бесступенчатое изменение крутящего момента на ведомом валу передачи достигается за счет регулирования основных параметров потока - расхода и давления в одном или обоих гидроагрегатах. Можно выделить три способа регулирования гидростатической передачи:
- регулирование насоса;
- регулирование мотора;
- регулирование насоса и мотора.
Характеристики гидропередачи для каждого из трех типов регулирования показаны на рис. 10-7.
Рис. 10-7
Гидростатические передачи имеют следующие преимущества:
- 1) бесступенчатое изменение в широком диапазоне крутящего момента и плавная передача его на ведущие колеса;
- 2) стабильная работа двигателя в зоне его оптимального режима работы;
- 3) удобство компоновки (возможность свободного и дистанционного расположения агрегатов вследствие отсутствия необходимости взаимной центровки);
- 4) возможность торможения самой гидростатической передачей;
- 5) реверсивность;
- 6) легкость и простота управления транспортным средством;
- 7) устойчивость работы гидромоторов при малых скоростях вращения, т.е. возможность движения автомобиля с ползущей скоростью;
- 8) простота предохранения двигателя от перегрузок.
К недостаткам гидростатических передач можно отнести:
- 1) более низкий (0,75-0,85) КПД по сравнению с механической трансмиссией;
- 2) большие габариты и вес при малых рабочих давлениях (10-15 мПа) и проблемы, связанные с обеспечением надежного уплотнения при больших рабочих давлениях (28-35 мПа);
- 3) высокую стоимость и сложность производства.
Можно ожидать, что непрерывное совершенствование конструкции гидростатических передач, использование новых материалов, а также улучшение технологии производства доведут оценочные параметры этих передач до приемлемого уровня, и тогда они получат широкое распространение в транспортной технике.
Фрикционные передачи
Фрикционные передачи, в отличие от других типов бесступенчатых передач, изменяют крутящий момент за счет использования только одного вида энергии - механического. Этот тип передач не обладает свойством автоматизма и для изменения передаточного отношения требует принудительного регулирования.
К числу основных преимуществ фрикционных передач, по сравнению с другими типами передач с бесступенчатым изменением передаточного отношения, относятся:
- 1) высокий КПД во всем диапазоне регулирования;
- 2) относительно большой диапазон регулирования (до 6);
- 3) простота в изготовлении и эксплуатации;
- 4) легкость автоматизации управления.
Вместе с тем для этих передач характерны следующие недостатки:
- 1) большие износы контактных поверхностей и вследствие этого ограниченный срок службы;
- 2) необходимость создания больших усилий, потребных для изменения передаточного числа.
Благодаря высокому КПД и относительно большому диапазону непрерывного регулирования фрикционные передачи постоянно привлекают внимание разработчиков трансмиссий. Однако их работоспособность при передаче больших мощностей двигателей (более 150-250 кВт) невысока.
Передаточное отношение фрикционной передачи определяется соотношением рабочих радиусов ча ведомом (R2) и ведущем элементе (R1) (рис. 10-8). Непрерывное регулирование передаточного числа достигается за счет бесступенчатого изменения соотношения рабочих радиусов.
Рис. 10-8
Крутящий момент от ведущего к ведомому элементу передается за счет сил трения, возникающих в зоне контакта. Необходимая величина сил трения обеспечивается соответствующим прижатием контактных поверхностей. Нормальная работа фрикционной передачи (без скольжения) возможна только в том случае, когда силы трения будут больше передаваемых окружных сил. Аналитически это может быть выражено неравенством
где μ - коэффициент трения скольжения;
k - коэффициент сцепления, равный отношению окружного усилия на чашке РОК к нормальному усилию прижатия F,
Коэффициент трения можно считать величиной постоянной. Величина к - переменная, так как РОК определяется внешними условиями движения.
Отношение (10.1) определяет работоспособность фрикционной передачи. Если оно меньше единицы, то передача из-за пробуксовки быстро выйдет из строя. При отношениях, значительно превышающих единицу, появляется пережатие, что приводит к быстрому износу контактирующих поверхностей и понижению КПД. Следовательно, оптимальное условие работы фрикционной передачи будет обеспечено тогда, когда отношение (10.1) будет величиной постоянной в регулируемом диапазоне и несколько больше единицы.
На транспортных машинах применяются фрикционные передачи различного типа.
Торовый вариатор. Схема представлена на рис. 10-9. Рабочая поверхность чашек имеет сложную сферическую форму и является частью тора. Поэтому трансформатор называется торовым. Чашки расположены соосно и во время работы специальным механизмом автоматического нажатия прижимаются к ролику. По отношению к образующим чашек ролик установлен по хорде и вращается вокруг собственной оси d. При горизонтальном расположении ролика передаточное отношение вариатора равно единице (из-за равенства радиусов касания на ведущей и ведомой чашках). Для изменения передаточного числа ролик вместе с осью поворачивается вокруг центра О.
Рис. 10-9
Передаточное отношение i тороидно-сферического вариатора определяется довольно простой зависимостью
где R₁ и R₂ - текущие рабочие радиусы соответственно ведущей и ведомой чашек.
Общий КПД тороидно-сферического вариатора имеет относительно низкую величину. Экспериментальные работы показали, что средний КПД вариатора такого типа с высокими контактными давлениями довольно стабилен и равен 0,9-0,94. Срок службы тороидно-сферического вариатора достаточно небольшой, что объясняется высокими контактными напряжениями в зоне соприкосновения ролика с чашками, которые должны находиться в пределах 2000-3000 мПа. Естественно, что срок службы тороидно-сферического вариатора с низкими контактными напряжениями (до 800 мПа) резко возрастает, но при этом увеличиваются габариты и вес передачи, что делает неприемлемым использование такого вариатора на транспортных машинах.
Фирма Nissan разработала трансмиссию, в состав которой входит торовый вариатор «Extroid». Эта трансмиссия будет устанавливаться на заднеприводные автомобили Cedric и Gloria, двигатели которых развивают мощность 176 кВт и момент 310 Нм.
Для обеспечения высокой несущей способности чашек и роликов торовых вариаторов конструкторы использовали подшипниковую сталь сверхвысокой степени очистки и упрочили их поверхности путем цементации на большую глубину. Кроме того, для вариатора «Extroid» было разработано специальное масло.
Многодисковый конический фрикционный вариатор. В отличие от тороидного вариатора, где мощность передается двумя или тремя параллельно работающими контактами, в многодисковых конических вариаторах количество параллельно работающих контактов в несколько раз больше (рис. 10-10). Окружное усилие, передаваемое одним контактом, сравнительно мало, поэтому и требуемая нормальная сжимающая сила ограничивается низким значением. Последнее приводит к тому, что удельное напряжение в зоне контакта снижается и находится в пределах 100-300 мПа.
Рис. 10-10
Несмотря на достаточно высокие относительные скорости, рассматриваемые вариаторы обладают высокой работоспособностью, что объясняется низкими удельными давлениями.
Все конструктивные схемы многодисковых конических вариаторов разделяются на схемы с наружным и внутренним контактами (по аналогии с зубчатыми передачами).
Схема многодискового конического вариатора с наружным контактом показана на рис. 10-10. Оси ведущих и ведомых дисков расположены по обе стороны контакта. Крутящий момент подводится к ведущему валу 3 и через кулачковый механизм автоматического нажатия передается на ведущие диски 1. Последние посредством сил трения передают момент на ведомые диски 2, которые соединены с ведомой осью.
Передаточное число регулируется путем изменения расстояния между осями 0 и 0₁ т.е.
где R₁ и R₂ - радиусы середины контактов соответственно ведущих и ведомых дисков.
Многодисковые вариаторы с наружным контактом обладают очень большим относительным скольжением и довольно низким КПД.
КПД многодискового конического вариатора можно несколько повысить за счет снижения величины скольжения. Последнее достигается применением внутреннего контакта (рис. 10-11, обозначения те же, что v на рис. 10-10).
Рис. 10-11
Кроме того, многодисковые вариаторы имеют еще один существенный недостаток - небольшой диапазон регулирования передаточного отношения, что ограничивает возможности применения его в трансмиссиях транспортных машин.
В настоящее время широкое распространение в транспортной технике нашли клиноременные вариаторы (рис. 10-12). Эти механизмы отличают простота и надежность конструкции. Увеличение или уменьшение передаточного отношения у такого типа вариаторов осуществляется за счет изменения положения конусов ведущего и ведомого шкивов. Причем перемещение конусов на обоих шкивах происходит одновременно.
Рис. 10-12
Первоначально клиноременные вариаторы использовались на снегоходах, картингах, небольших спортивных автомобилях, мотоциклах и т.д. В этих транспортных средствах система управления клиноременным вариатором была настроена таким образом, чтобы в процессе разгона двигатель работал на постоянных оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту, а разгон осуществлялся за счет'изменения передаточного отношения клиноременного вариатора. Для передачи мощности с ведущего шкива на ведомый на всех перечисленных выше транспортных средствах использовались резинокордовые ремни. Однако низкая прочность и износостойкость таких ремней делает практически невозможным их использование на транспортных средствах с более мощными двигателями.
Толчком для развития клиноременных вариаторов послужил разработанный голландской фирмой Van Doorne's Transmission B.V. (VDT) металлический ремень, который в отличие от резинокордового ремня работает на сжатие. Именно это обстоятельство позволило существенно увеличить значение передаваемого вариатором момента. С тех пор металлические ремни типа VDT стали использоваться при разработке клиноременных вариаторов такими фирмами, как Ford, Fiat, Nissan, Subaru, Honda и Volvo. Интересно отметить, что вариатор с таким ремнем был разработан и для болида команды Williams, участвующей в гонках «Формулы-1», причем он мог работать с двигателем, развивающим мощность до 590 кВт. Однако использование таких трансмиссий было запрещено правилами проведения этих соревнований.
Металлический ремень типа VDT состоит из двух многослойных металлических лент, на которые вплотную друг к другу установлены металлические звенья (рис. 10-13). Как известно, обычный резинокордовый ремень находится под воздействием двух сил: силы предварительного натяжения, необходимой для создания требуемой силы трения между ремнем и шкивами, и силы тяги. Таким образом, любой резинокордовый ремень работает на растяжение.
Рис. 10-13
Конструкция металлического ремня типа VDT позволила перераспределить силу предварительного натяжения и силу тяги между его двумя различными элементами. Силу предварительного натяжения ремня воспринимают многослойные металлические ленты, работающие на растяжение, а тяговое усилие передается металлическими звеньями, которые работают на сжатие. Наклонные боковые поверхности металлических звеньев входят в контакт с коническими поверхностями шкивов и за счет сил трения обеспечивают передачу тягового усилия с ведущего шкива на металлический ремень и обратно, с металлического ремня на ведомый шкив. При этом за счет плотного расположения металлических звеньев каждое из них как бы толкает последующий элемент. Таким образом осуществляется передача момента с ведущего шкива на ведомый.