Новий багатодисковим варіатор з «м'якою» робочою характеристикою

Нурбей Гуліа, Сергій Юрков

Останнім час, у зв'язку з розвитком інверторної техніки і частотного регулювання електромашин, нерідко висловлюється думка про неперспективність вариаторні приводу від електродвигунів з постійною частотою обертання. Дійсно, з допомогою інверторної техніки можна змінювати частоту обертання електродвигунів або отримувати постійну частоту струму від генераторів, що обертаються зі змінною кутовою швидкістю. Але електромашини з інверторним регулюванням аж ніяк не замінюють собою їх же, але з вариаторні приводом.

Справа тут в те, що електромашини при інверторної регулювання повинні вибиратися виходячи з максимального крутного моменту, що проходить через них. При заданій потужності це означає, що робота на мінімальних частотах обертання вимагає електромашин з найбільшими габаритно-масовими показниками. Посилює становище знижена ефективність роботи більшості електромашин на низьких частотах струму.

Аналіз показує, що привід з електромашин постійної частоти обертання і варіатором істотно ефективніше приводу від електромашин з частотним регулюванням і машин постійного струму, особливо по масі агрегату, і, зрозуміло, вартості. Так, наприклад, отримати максимальний обертовий момент близько 100Нм при інтервалі частот обертання 200...2200об/мін можна з допомогою мотор-варіатора з асинхронним електродвигуном потужністю 2,2 кВт загальної масою 30кг, електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням потужністю 3кВт і масою 125кг, а також асинхронного електродвигуна з частотним регулюванням потужністю 30кВт з інвертором загальною масою близько 200кг. При цьому ККД установок з асинхронним електродвигуном порівняємо і коливається між 0,7 і 0,8 в залежності від моменту, що крутить, а у електродвигуна постійного струму він сильно падає, приблизно до 0,3 при максимальному моменті.

Перевага вариаторні приводу найбільш виразно спостерігається при великих потужностях привода, коли маси агрегатів істотні, або коли є жорсткі обмеження до мас агрегатів. Наприклад, згідно з розрахунками, наявність варіатора замість інверторного регулювання на потужних, порядку мегавата і більше, вітроустановках дозволяє знизити масу генератора в 2 ... 3 рази, а вона зараз близько 10 тонн і вище. Маса ж генератора істотно впливає на масу і вартість вишки вітроустановки висотою близько 120м. До того ж вітроустановки звичайно працюють при потужностях менше 25% від настановної, а коефіцієнт корисної дії інверторів при таких недовантаження набагато менше, ніж у описуваного варіатора з оптимізованим, що залежать від потужності натиском (сказане відноситься до німецьким вітроустановках, з якими автори знайомі по роботі).

Дуже корисний у розумінні цього питання приклад з автомобільної техніки. Відомо, що двигун автомобіля, також як і Електромашина з частотним регулюванням, дозволяє змінювати частоту обертання в широких межах регулюванням подачі палива. Проте спроба обійтися в приводі автомобіля без коробки передач, байдуже, ступінчастою або безступінчатим, привела б до добре зрозумілому результату - двигун став би мати масу, порівнянний з іншою частиною автомобіля. Або автомобіль став би розганяти з інтенсивністю товарного поїзда.

Прототипом нового варіатора є з нашої точки зору найбільш перспективний планетарний дисковий варіатор за патентом Великобританії № 1384679, F16H15/50, 19.02.75г. довгий час успішно випускається, зокрема, німецькою фірмою «Lenze» під назвою «Disco» (рис.1).

Рис. 1. Варіатор «Disco» фірми «Lenze»: 1 - ведений вал; 2 - нерухоме кільце муфти; 3 - диск сателітів; 4 - натискні кільце муфти; 5 - вісь сателіта; 6 -- сателіт; 7 - наполегливе кільце; 8 - внутрішнє сонячне колесо; 9 - пакет пружин; 10 - вал електродвигуна

На валу 10 електродвигуна встановлено внутрішнє сонячне колесо 8, що обертається з практично постійною кутовою швидкістю. Зовнішнє сонячне колесо складається з наполегливої кільця 7 і натискного кільця муфти 4. Між внутрішнім і зовнішнім сонячними колесами знаходяться сателіти 6, установлені на осях 5. Сателіти вільно переміщуються в радіальному напрямку в гніздах диска 3, через який крутний момент передається на ведений вал 1.

Зміна передавального відносини в варіаторі «Disco» проводиться при працюючій передачі примусово, шляхом обертання через кручені або черв'ячну передачу. При обертанні натискного кільця муфти, що має як і нерухоме кільце 2, хвилеподібний профіль, відбувається його переміщення в осьовому напрямку, внаслідок чого змінюється зазор між натискним і завзятим кільцями. При зменшенні зазору сателіти видавлюються до центру, стискаючи пакет пружин 9. Передаточне відношення варіатора при цьому зменшується. При обертанні натискного кільця в іншу сторону зазор збільшується і проміжні конічні диски під дією пакету пружин спрямовуються на периферію, підвищуючи передавальне відношення.

Слід помітити, що останні серії воротарів «Disco» забезпечені сервосистеми з додатковим двигуном і приводом для автоматичного зміни передавального відносини, наприклад, в залежності від моменту опору на вихідному валу.

Планетарна схема варіатора крім високої компактності забезпечує підвищені значення ККД, особливо на малих передавальних відносинах, близьких до одиниці (нагадаємо, що при передавальному відношенні, що дорівнює одиниці весь планетарний механізм працює як одне ціле без втрат на прокручування). Ця властивість особливо важливо для автомобілів, тому що найбільші потужність двигуна і час роботи тут відбувається саме на таких передавальних відносинах, які називаються в автомобілебудуванні «вищими». Слід зазначити, що саме дисковий варіатор, в відміну від воротарів інших типів, найкращим чином підходить для планетарної схеми, тому що всі його робочі елементи обертаються в одній площині і не схильні до досить високим гіроскопічним впливів, яке згубно впливає на підшипники сателітів. Варіатори ж з гнучкою зв'язком практично непридатні для використання за планетарної схемою. За своєю несучої здатності і експлуатаційними показниками - це один з кращих воротарів.

Однак варіатором «Disco» властиві такі суттєві недоліки, аналіз яких необхідний для розуміння роботи нового варіатора.

Неможливість підвищення переданого крутного моменту і потужності шляхом простого збільшення числа рядів дисків, так, як це робиться в багатодисковим варіатора. Це відбувається через те, що зовнішні та внутрішні центральні фрикційні диски при зміні передавального відносини переміщуються в протилежних напрямках. Наприклад, при зближенні зовнішніх дисків, внутрішні розсуваються, і навпаки.

Зовнішні і внутрішні фрикційні диски представляють собою жорстокі, практично недеформіруемие в осьовому напрямку елементи, через що зусилля натиску сприймають при шести сателітах лише 70% точок контакту. Це викликає падіння ККД і допустимих контактних напружень, підвищує ймовірність заїдань і вимагає дуже точного виконання дисків-сателітів по товщині (жорсткий допуск на різнотовщинність), що підвищує вартість виробу.

Вельми несприятливі умови натиску фрикційних дисків, пов'язані зі способом регулювання передавального відносини. Натиск в зовнішньому і внутрішньому фрикційних контактах без урахування відцентрових впливів у цих варіатора однакові, причому вони підвищуються при збільшенні частоти обертання вихідного вала, тобто при зменшенні передавального відносини ( «видавлюванні» сателітів до центру). У цьому ж положенні максимальні відцентрові ефекти сателітів, додатково істотно навантажують їх зони контактів з внутрішніми дисками. Аналіз показує, що необхідні, тобто оптимальні натискні зусилля прямо протилежні наявним, через що при малих передавальних відносинах сильно - в десятки разів - Перевантаженими виявляються контакти сателітів із зовнішніми дисками. Наслідки цих пережиму видно з рис.2, на якому наведені експериментальні залежності ККД варіатора «Disco» і нового планетарного дискового прогресивного варіатора від частоти обертання вихідного валу. Найбільше падіння ККД спостерігається у воротарів «Disco» в найбільш використовується, особливо для автомобілів, режимі максимальних частот обертання вихідного валу (мінімальних передавальних відносин).

Рис. 2. Експериментальні графіки залежності ККД від частоти обертання вихідного вала: 1 - Нового планетарного дискового прогресивного варіатора; 2 - варіатора «Disco» фірми «Lenze»

Спосіб регулювання передавального відносини воротарів «Disco», який визначається їх конструкцією, непридатний для їх використання на автомобілях та інших машинах з динамічним зміною режимів роботи. Крім несприятливих умов натиску дисків, що викликаються цим способом, навіть за наявності сервосистеми зміни передавального відносини, системи датчиків і електронного блоку управління, реакція механізму на збільшення зусилля притиску зовнішніх дисків (а саме так відбувається зміна передавального відношення) настає дуже нескоро. Переміщення сателітів відбувається через пружних деформацій сталевих жорстких дисків і здійснюється дуже повільно - до 250 секунд. Оперативного зміни передавального відносини шляхом безпосереднього переміщення сателітів тут здійснити не можна.

Тим часом сама планетарна схема дискового варіатора настільки перспективна в порівнянні з іншими варіаторами, що автори вважали за доцільне створити на цій основі варіатор, позбавлений зазначених недоліків і забезпечує наступні корисні властивості.

багатодискове конструкції при поєднанні по осі зовнішніх і внутрішніх рядів фрикційних дисків. Це дозволить підвищувати несучу здатність варіатора пропорційно числу рядів дисків при незначному збільшенні його габаритів по довжині.

Рівномірність притиску всіх зон контактів при будь-якій кількості сателітів, що дозволяє уникнути заїдань при високих значеннях контактних напруг, допустимих для точкового вихідного контакту. Досягається це використанням пружно-податливих центральних фрикційних дисків, що компенсують різнотовщинність сателітів.

Оптимізований автоматичний притиск фрикційних дисків, що залежить від передавального відносини варіатора. Це дозволяє враховувати змінюється коефіцієнт упругогідродінаміческого (УГД) тертя у фрикційних контактах, який також залежить від передавального відношення варіатора. Аналіз показує, що для великої кількості найважливіших застосувань воротарів цей спосіб притиску фрикційних елементів найбільш підходить.

Це відноситься, наприклад, до приводів від електромашин змінного струму з практично постійною частотою обертання. Забезпечуючи найкращі показники за максимальної потужності, такий спосіб притиску практично не знижує ефективності і при зменшенні споживаної потужності в 2 ... 3раза, так як пережив в це число раз дуже незначно знижує ККД (порівняйте з пережиму в десятки разів у воротарів «Disco »).

Це ж відноситься до найбільш масовому і перспективному споживачеві воротарів -- автомобілю. Не вдаючись у нюанси цього досить складного питання, відзначимо, що на режимах повної подачі палива, а саме на цих режимах працюють сучасні системи автомобільних трансмісій з варіаторами, залежність притиску дисків від передавального відношення найбільш ефективна. На часткових режимах подачі палива передбачається працювати тільки в окремих випадках, та й при цьому ККД самого двигуна знижується настільки різко, що незначне зниження ККД варіатора через пережиму дисків тут виявиться практично непомітним.

На таких потенційно масових споживачів воротарів з високим ККД як вітроелектростанції, передбачуваний спосіб натиску найкращий, тому що тут все силові параметри варіатора, у тому числі і натиск, залежать від частоти обертання вітроколеса, а це при постійній частоті обертання генератора означає, що і від передавального відношення варіатора.

Головне, на наш погляд, властивість - це саморегулівної, адаптивність, або використовуючи застосовується для воротарів термін - «прогресивність». Ця властивість особливо цінне тоді, коли воно досягається не використанням додаткових складних, дорогих і ненадійних силових сервосістем з датчиками, електронними блоками управління та серводвигуна з виконавчими механізмами, а органічно властиво даної конструкції варіатора. Це досягається в конструкції нового варіатора об'єднанням систем натиску і зміни передавального відносини. До того ж передбачена можливість примусового (за бажанням оператора) зміни на ходу ступеня цієї прогресивності або «м'якості» залежності частоти обертання від моменту опору на виході. Зрозуміло, передбачено і безпосереднє примусове зміна передавального відносини, у тому числі в ряді випадків і на нерухомому варіатор, що принципово неможливо на варіатора «Disco» і на переважній більшості інших фрикційних воротарів.

Ці властивості нового варіатора, робота над яким триває в Московському державному індустріальному університеті (МГИУ) близько 20 років, відображені в патентах Росії [1, 2].

Принципова схема варіатора представлена на рис.3. На цій схемі варіатор включає всього два ряди центральних фрикційних дисків - нерухомих зовнішніх 9, встановлених в корпусі 18, і внутрішніх 5с затиснутими між ними сателітами 7 за допомогою тарельчатий (або просто плоских дискових) пружин 4 та 8, відповідно. Однак за схемою зрозуміло, що цих рядів може бути як завгодно багато, скільки витримають за міцністю і жесткостним показниками осі сателітів 10, і їх підшипники 6. Не виключаються і проміжні підтримують опори на осях 10, переважно при числі рядів вище чотирьох. Число сателітів в одному ряді переважно шість, як і в варіатора «Disco», хоча для потужних пристроїв з малим діапазоном варіювання (наприклад, для потужних вітроустановок), їх може бути до 12. Підшипники 6 осей 10 знаходяться на одному кінці поворотних важелів 19, на інших кінцях яких розміщені противаги 11, одна група яких забезпечена роликами 12, що знаходяться в фасонних прорізах 20 диска 13, пов'язаного з вихідним валом 17.

Рис. 3. Схема нового планетарного дискового прогресивного варіатора: 1 - ось поворотних важелів; 2 - водило; 3 - вхідний вал; 4 - тарілчаста пружина; 5 - внутрішній центральний фрикційний диск; 6 - підшипники сателітів; 7 - сателіт; 8 -- плоска дискова пружина; 9 - нерухомий зовнішній центральний фрикційний диск; 10 - вісь сателітів; 11 - противага, 12 - ролик; 13 - прорізний диск; 14 -- важіль; 15 - пружина; 16 - механізм важеля; 17 - вихідний вал; 18 -- корпус-епіциклом; 19 - поворотний важіль; 20 - фасонная проріз прорізний диска; ЖСМ - рідкий мастило.

Поворотні важелі 19 сидять на осях 1, закріплених у водиле 2. Ролики 12 віджимаються на периферію пружинами 15, зусилля яких може змінюватися примусово за допомогою важільного механізму 16, вплив на який здійснюється важелем 14. Важіль може пересуватися як вручну (наприклад, за допомогою гвинтового механізму, якщо потрібно примусово встановлювати потрібні передавальні відносини), так і з допомогою підсилювачів, що мають пружну характеристику (наприклад, Пневмокамера, керованих від пневмосистеми). Слід зазначити, що варіатор є прогресивним і без механізму зміни зусилля пружин. Але тоді він буде мати всього одну «м'яку» робочу характеристику, наприклад, як у гідротрансформатора або електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням. Описаний механізм зміни зусилля пружин (як у бік його зменшення, так і збільшення) змінює лише ступінь «м'якості» характеристики варіатора, дозволяючи працювати на будь-якому режимі, що особливо важливо для автомобільної автоматичної трансмісії. У такому випадку важіль 14 буде пов'язаний з педаллю управління швидкістю автомобіля, з додатковим підсилювачем або без нього.

При зміні крутного моменту на вихідному валу 17, ролик 12, що знаходиться до цього в прорізи 20 в урівноваженому стані, під дією зусиль пружин 4, 8, 15, тангенціальних зусиль робочого моменту і інших зусиль у механізмі Варіанотора, змінює своє положення в прорізи, змінюючи при цьому передавальне відношення. Натискні пружини 4 і 8 при цьому пружно деформуються за рахунок розклинюється дії сателітів, що при обертанні фрикційних дисків пов'язано з нікчемним опором тертя, і маючи спеціально підібрані характеристики «Сила-деформація», забезпечують оптимальний за ККД натиск фрикційних дисків, з запасом