Варіоколесо і його перспективи для автомобілів

Нурбей Гуліа, Мартін Ференц, Сергій Юрков

Механічні безступінчатий передачі - варіатори, останнім часом знаходять собі все більше застосування на автомобілях. В основному, це варіатори з гнучким ланкою - тягне або штовхає, які з ряду причин мають обмежені перспективи як коробок передач автомобілів. На наш погляд, в цій якості перспективні планетарні дискові варіатори, що мають у порівнянні зі згаданими істотно великі довговічність, ККД на вищих передачах, простоту і компактність. Детальний порівняльний аналіз воротарів - дискових і з гнучким ланкою, як і опис принципу дії нового планетарного дискового варіатора, викладені в статті Н. В. Гуліа, О. Є. Власова та С. А. Юркова «Механічна безступінчата передача для вантажних автомобілів і автобусів. Перспективи використання ».

Компактність нових воротарів, ціліндрічность їх форми, органічно властива їм автоматично, а також дистанційне керування режимом ( «твердістю») цієї автоматичності, дозволяють вбудовувати варіатор в маточину ведучого колеса автомобіля, в тому числі й спільно з бортовою заниженою передачею. У результаті виходить новий тип ведучого колеса автомобіля, названий нами властивостями, що підвищують споживчі властивості автомобіля і його конкурентноздатність. На нашу думку, це, в основному, стосується автомобілів з кількома провідними осями, тягачів спеціального призначення, у тому числі і землерийних машин, а також автобусів, тобто тих автомобілів, де вважається перспективним використання електричних або гідравлічних мотор-коліс.

Якщо порівнювати варіоколеса з мотор-колесами, то вони забезпечують подібні експлуатаційні переваги - безступінчата зміна частоти обертання і моменту колеса, відсутність потреби в міжколісних і міжосьових диференціалом при збереженні безперервного тягового зусилля на колесах, застосування, при необхідності, незалежної підвіски ведучих коліс. При цьому якщо варіоколесо загалом, вимагає трохи більш ускладненого підвода потужності в порівнянні з мотор-колесами, то набагато менше габарити, маса, складність, вартість пристрою, як вбудованого в колесо, так і наявного на шасі (генератор або насос, перетворювачі, система управління), а також суттєво більший ККД, є незаперечними перевагами варіоколеса.

Як буде показано нижче, підведення обертання при досить низьких моментах, менше моменту двигуна без коробки передач, до варіоколесу, не потребує простору помітно більшого, ніж підведення потужності проводами або по трубах рідиною. У принципі, можливий підведення потужності та гнучкими валами в рукавах, навіть зовні мало відрізняються від кабелів або гнучких шлангів.

З огляду на те, що автори не є фахівцями з багатовісної автомобілів і транспортної спецтехніці, і займаються, в основному, автобусами, тут будуть розглянуті, головним чином, перспективи використання варіоколес для міських автобусів, і лише частково згадані ці перспективи для інших видів транспортних коштів. Зокрема, особливі зручності і перспективи представляють варіоколеса для автомобілів, тракторів і тягачів, що мають великі колеса, наприклад, великих самоскидів, тягачів, бульдозерів, скреперів і т.д.). Момент, що крутить, передається варіатором, залежить від куба його діаметра, тому для великих коліс можливе використання навіть однодискове воротарів без додаткового бортового редуктора. Потужність, що передається дисковими варіаторами може досягати 500 і вище кВт для одного агрегату.

Варіоколесо на основі подвійні бездискових коліс для шин типу 12.00-20 (типових для великих міських автобусів типу «Ікарус»), представлено на рис.1.

Рис. 1. Варіоколесо на основі подвійні бездискових коліс (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)

Нізкомоментная, тобто розрахована на номінальний обертовий момент, приблизно половинний від крутного моменту двигуна, піввісь 1 приводить в обертання центральні фрикційні диски 2, стискає пакетом тарельчатий пружин 3. Проміжні конічні диски 4, ось 5 яких, сполучена з водилой 6, контактують також з нерухомими зовнішніми фрикційними дисками 7, посадженими в корпус 8 і стисливим плоскими дисковими пружинами 9. (Конструкція даного варіатора захищена патентом Росії № 2140028 від 26.05.98, автор Н. В. Гуліа). Крутящий момент від водила 6 через систему автоматичного регулювання з примусовою установкою режимів передається на прорізний диск 10 (вихідна ланка варіатора) штатного бортового планетарного редуктора. Напівмуфт 11 виконана з можливістю примусового виведення з зачеплення за допомогою гвинта 12.

Система автоматичного регулювання варіатора, захищена патентом № 2138710 від 16.06.98. (автор Н. В. Гуліа), заснована на рівновазі сил, що діють з боку фасонних прорізів у прорізним диску 10 і пружин стиснення 13 на ролики 14, осі яких з'єднані з поворотними важелями 15, які переміщують осі 5 проміжних дисків 4 в радіальному напрямку, що викликає зміна передавального відносини варіатора. Режим автоматичного регулювання залежить від підібгані пружин 13, здійснюваного сервомотором 16, в даному випадку типу Д-400В, потужністю 400Вт при 8000об/мін (24В), з планетарним або хвильовим знижуючим редуктором 17 з передавальним відношенням 150 і конічної передачею 18, що приводить гвинти 19 системи управління з гайкою 20. Слід зауважити, що ця система передбачає і чисто примусове регулювання передавального відносини варіатора, що доцільно при низьких (повзучих) швидкостях руху машини.

При крайньому периферійному (верхньому) положенні дисків 4 понижувальний передавальне відношення даного варіатора - 9,91, а при їх центральному (нижньому) положенні - 1,27. Понижувальний передавальне відношення бортового редуктора - 3,7, і таким чином загальне передавальне відношення механізму варіоколеса варіюється між 36,7 і 4,7. Якщо приймати частоту обертання півосі при початку руху з місця 800об/мин, то при максимальному передавальному відношенні варіоколесо буде обертатися з частотою близько 20об/мін (з урахуванням неминучого ковзання в передачі) і швидкість автобуса буде при цьому близько 1 м/с або 3,6 км/год, що відповідає реальним умовам рушання з місця. При частоті обертання півосі - 2000об/мін і мінімальному передавальному відношенні швидкість автобуса близько 22м/с або 76км/ч, що достатньо для міського автобуса.

Розрахунковий ККД варіатора при початку руху автобуса з місця близько 0,8, а при максимальній швидкості - 0,96, що випливає з планетарної схеми варіатора і реальних значень ККД фрикційних контактів дискового варіатора. Описуваний варіатор розрахований на момент входу 600Нм, при цьому максимальне тягове зусилля на колесі може досягати 3,5 ... 40кН, що при навантаженні на провідну вісь 9т знаходиться на межі зчеплення. Такі тягові можливості раціональні для вантажних автомобілів і машин підвищеної прохідності, а для автобусів набагато перевершують необхідні значення. При цьому слід зазначити, що контактні напруги в варіаторі досягають лише половинних від допустимих, залишаючи резерв майже вісім разів підвищення переданого моменту, або зменшення вдвічі діаметру варіатора, що випливає з точкового вихідного контакту передачі. ККД варіатора, правда, при цьому дещо падає.

Система управління може забезпечувати примусове регулювання передавального відносини при швидкостях руху до 10км/час з високою точністю витримування швидкості (маневрування на стоянках і т.д.) і автоматичною корекцією передавальних відносин лівого і правого варіоколес в залежності від кута повороту керованих коліс. При регулярному русі автобуса регулюванню піддається тільки режим автоматичного керування: при сильному стиску пружини 13 він «Жорсткий», тобто передаточне відношення варіатора слабо підвищується при зростанні дорожніх опорів; при слабкому стиску пружини 13 він «м'який», тобто передаточне відношення варіатора, і пов'язана з ним швидкість руху машини, сильно змінюється зі зростанням дорожніх опорів. При цьому повороти машини не вимагають міжколісних диференціалів в трансмісії, тому що невелика зміна частот обертання коліс викличе на будь-якому режимі лише слабке зміна тягових зусиль на колесах, що майже не відіб'ється на кінематиці і динаміці повороту. При можливості прослизання коліс (наприклад, при ожеледі) це властивість буде грати лише позитивну роль, як і у випадку м'яких грунтів для машин підвищеної прохідності, як би замінюючи диференціал підвищеного тертя. Зауважимо, що на відміну від більшості автоматичних передач, тут градацій регулювання режимів руху може бути як завгодно багато. Сервомотори при цьому включається тільки для зміни режиму руху, то є достатньо рідко.

Як і мотор-колеса, варіоколеса можуть використовуватися як для звичайних схем силових агрегатів з приводом тільки від двигуна, так і для гібридних схем, що включають накопичувач енергії. На наш погляд, в гібридних схемах як з тепловими двигунами, так і з паливними елементами як основні джерела енергії, як накопичувачів енергії доцільне використання накопичувачів механічної енергії - супермаховіков. Для випадків використання теплових двигунів, що виділяють енергію у вигляді обертання вала, та споживання цієї енергії у вигляді обертання півосі ведучого колеса, доцільність використання накопичувача, де енергія запасається також у вигляді обертання - супермаховіка, очевидна. Для випадків ж використання паливних елементів ця доцільність обгрунтована в статті Н. В. Гуліа і С. А. Юркова «Нова концепція електромобіля». Слід зауважити, що і для згаданої концепції використання варіоколес еквівалентно використанню варіатора в трансмісії, причому перший кращий для електробуса з умов перегляду.

Рис. 2. Принципова схема гібридного силового агрегату автомобіля (автобуса) з використанням варіоколес (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)

Принципова схема найбільш загального випадку - гібридного силового агрегату автомобіля (автобуси) з використанням варіоколес представлена на рис.2. Тут двигун 1 із зчепленням 2 приводить в обертання як провідну шестерню 3 головної передачі, так і супермаховік 4 через відповідну передачу з муфтою зчеплення. Головна передача містить реверс у вигляді зубчастої або кулачковими муфти 5, що підключається піввісь колеса переднього 6 або 7 заднього ходу до півосі 8, що приводить варіоколеса 9. В серединній положенні муфти 5 включена нейтраль.

Вище вже було згадано, що передавальне відношення головної передачі близько до одиниці, тому момент на неї та її габарити досить невеликі; зокрема, момент, передається півосі практично вдвічі менше моменту на первинному валу трансмісії після зчеплення. Для порівняння можна зазначити, що конічні колеса 3, 6 і 7 за розмірами близькі до провідної шестерні головних передач легкових автомобілів, розрахованих на близький крутний момент. Аналогічні розміри будуть мати й підшипники цих коліс; таким чином простір по висоті, займане даної головною передачею - реверсом цілком може вписатися в товщину статі автобуса, тобто висоту несучих елементів.

Тут не розглядається принцип роботи гібридного силового агрегату автомобіля, про це можна прочитати, зокрема, в журналі «Вантажівка ...» (№ 1, 2000р.) у статті Н. В. Гуліа і С. А. Юркова «Гібридні силові агрегати автомобілів», де наводиться їх докладний аналіз. Зауважимо, що для перетворення гібридної схеми в звичайну слід лише усунути супермаховічний накопичувач і відповідний привід до нього. Двигун в цьому випадку буде приблизно в 2 рази потужніший, ніж у гібрид. Для перетворення схеми з рис.2 в схему електромобіля нової концепції, слід усунути двигун із зчепленням, а супермаховічний накопичувач забезпечити вбудованим розгінним електродвигуном, що живиться від будь-якого джерела електроенергії, зокрема, від паливних елементів (стаття Н. В. Гуліа і С. А. Юркова «Нова концепція електромобіля».

Рис. 3. Схема компонування автобуса з мотор-колесами і незалежною підвіскою (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)

Застосування варіоколес може забезпечити істотні компонувальні переваги навіть у порівняно з мотор-колесами. Розглянемо, наприклад, найбільш перспективну схему компонування автобуса, що має низький рівень підлоги - всього 320 мм, з мотор-колесами і незалежною підвіскою фірми ZF (рис.3). Ширина проходу 900мм -- це все, що може забезпечити схема з мотор-колесами. Слід мати на увазі, що генератор і частотні перетворювачі (або інвертори), що мають значні маси і габарити, обов'язково присутні в конструкції.

Рис. 4. Схема компонування автобуса з варіоколесамі і незалежною підвіскою (малюнки у форматі AutoCAD, 235 кб)

У схемі з варіоколесамі (мал.4) завдяки малим осьовим розмірами, що не виходять за осьові габарити колеса, при тій же висоті підлоги забезпечується збільшена приблизно на 300мм ширина проходу, усуваються тягові двигуни мотор-коліс, генератор, перетворювачі; підвищується ККД приводу і діапазон зміни крутного моменту, особливо важливі в гібридної схемою, де потрібно подвійне проходження енергії через привід - від накопичувача до коліс і при рекуперації енергії у зворотному напрямі. Максимальний обертовий момент, що передається варіатором, значно перевершує розвиваються тяговим двигуном даних розмірів, що забезпечує високі тягові зусилля і динаміку машини.

При цьому підвід обертання до варіоколесу 1 може бути здійснений, в разі незалежної підвіски, не залежних від положення статі або змін його висоти (до речі, вельми невеликих у регульованою пневмопідвіски автобуса). Досягається це фіксацією головної передачі 5 і піввісь 2 в підлозі машини 3 і зв'язку їх з вхідним валом варіоколеса хитним циліндричним редуктором 4, як показано на рис.4 справа. Пол може в цьому випадку займати різні по висоті положення відносно дорогі, відповідно 3а і 3б, з передачею обертання від піввісь на вхід варіоколеса. Обкатился циліндричних коліс що хитається редуктора, теоретично змінює передавальне відношення від головної передачі але обід колеса, практично не впливає (як і поворот машини) на момент, що передається варіоколесом через «м'якою» характеристики варіатора. Зауважимо, що для машин підвищеної прохідності дана схема може бути «перевернута» на 180 градусів і низький кліренс, доцільний для автобусів, замінений на високий, необхідний для хорошої прохідності.

Застосування варіоколес через можливостей нескладного досягнення високих передавальних чисел (бортовим редуктором, варіатором, хитним редуктором) дозволяє використовувати швидкохідні малогабаритні двигуни без ризику збільшення передавального числа і радіальних габаритів головної передачі, із збереженням її передавального числа, близького до одиниці і виконанням мінімальних радіальних габаритів швидкохідної нізкомоментной головної передачі - реверсу, яку доцільно виконувати конічної з круговим зубом.

Можна вважати перспективним заміну зчеплення двигуна високомоментних синхронізатором з розміщенням зчеплення з пневматичним управлінням безпосередньо в варіоколесе, в вільному просторі між бортовим редуктором і ободом колеса, що повинно підвищити ресурс всієї трансмісії, так як навантаження її відбувається при вже створилося масляному клині.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/