Принцип работы вариатора
Вариатор — это бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которая позволяет автоматически плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное согласно внешней нагрузке и оборотам двигателя, тем самым давая возможность максимально эффективно использовать его мощность.
В технике существует множество различных конструкций такого типа, но на автомобиле получили распространение два вида вариаторов: клиноременной и тороидный. Клиноременный вариатор как тип трансмиссии известен давно. Его главные детали — два раздвижных шкива и соединяющий их ремень, в сечении имеющий трапецеидальную форму.
Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень, словно попавший между ними клин (отсюда и название "клиноременный"), наружу — радиус шкива, по которому работает ремень увеличится, следовательно, увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь и будет работать по меньшему радиусу — передаточное отношение уменьшится.
Если оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой. Вариаторная КП — это вариация «автоматики». Однако её устройство и принцип работы имеют существенные отличия от классической АКПП. Это бесступенчатая трансмиссия, в состав которой входят:
собственно вариатор;
узел, осуществляющий разъединение двигателя с вариатором;
система управления;механизм заднего хода.
Вариаторная КП может быть двух типов:
клиноременного;
тороидного.
Принцип работы основан на том, что два раздвижных шкива (ведущий и ведомый), соединённых металлическим ремнём, автоматически меняют свой диаметр, изменяя при этом передаточное число.
Запускается вариатор с помощью рычага селектора.
Режимы передач идентичны с АКПП.
Позитивные стороны вариатора перед другими КП:
эффективность при использовании мощности мотора;
высокая экономия топлива;комфортность управления и самого движения;плавность хода авто;
ровный разгон и оперативный набор скорости;
малая нагрузка на мотор;
экологичность;
высокий КПД.
Устройство и принцип работы вариатора
Клиноременной вариатор состоит из нескольких (как правило, одной- двух) ременных передач, где шкивы образованы коническими дисками, за счет сдвигания и раздвигания которых изменяются диаметр шкивов и, соответственно, передаточное число. Разные фирмы разработали каждая свою конструкцию клиноременного вариатора, так на Audi в трансмиссии Multitronic вместо ремня применяют цепь, а Honda ставит набранный из металлических пластин ремень, но принцип от этого не меняется.
Для трогания автомобиля с места используются обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управление дисками шкивов осуществляет электронная система из сервоприводов, блока управления и датчиков.
Начнем с самого простого. Почему клиновидный ремень? Ремень в разрезе имеет трапециевидную форму и "вклинивается" в шкив только своими боковыми поверхностями. При износе этих поверхностей, благодаря своей форме, он врезается глубже в шкив и все равно остается в хорошей сцепке с ним. Как изменяется передаточное число? Устройство ведущего шкива (ведущий шкив вращается коленвалом) таково, что его щеки при воздействии центробежных сил плавно сжимаются и выталкивают клиновидный ремень все дальше и дальше от центра шкива. Ведомый же шкив при этом наоборот, разжимается, и ремень на нем плавно утопает все ближе и ближе к центру шкива. Чем больше обороты двигателя — тем больше сжимается ведущий шкив и разжимается ведомый, тем самым меняя передаточное число от коленвала к заднему колесу. Этот процесс хорошо виден на рисунках, прикрепленных к посту.
Иначе устроен тороидный вариатор, который состоит из соосных дисков и роликов, передающих момент от одного диска к другому. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их радиусы, по которым ролики обкатывают диски. И поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску. Так в ниссановском вариаторе Extroid применена специальная система, где управляемый электроникой прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам.
Между прочим, принцип устройства под названием “вариатор” не нов — мысли о бесступенчатой трансмиссии стали посещать конструкторов практически сразу с началом применения поршневых ДВС на транспорте. Современное же развитие электроники и технологии материалов дало возможности усовершенствовать (остающиеся, однако, в принципе своем неизменными) конструкции вариаторов, и сейчас наблюдается, по-видимому, начало самого широкого распространения таких трансмиссий на автотранспорте.
Тем не менее вариаторы пока что не избавились от некоторых своих весьма существенных проблем. Так, очевидно, что самыми конструктивно слабыми местами существующих сегодня автомобильных вариаторов являются: для клиноременного эти самые ремни, а для тороидного — пятно контакта диска и ролика, где сила давления достигает 10 тонн. Поэтому здесь применяются специальные высокотехнологичные материалы, что делает надежность вариаторов достаточно высокой, близкой к надежности гидромеханических “автоматов”, но все же из-за нагрузок на ремень или пятно контакта вариаторы пока не могут “тянуть грузы”, а также работать с двигателями большой мощности.
На сегодняшний день рекордом для клиноременного вариатора оказывается 220 л.с. и 300 Нм, которые развивает V-образный 6-цилиндровый мотор Audi A6, “воспринятый” трансмиссией Multitronic, а для тороидного — “переваренный” Extroid (3-литровый двигатель Nissan Gloria и Cedric), развивающий 240 л.с. и 310 Нм.
Однако если для грузовиков вариаторы до сих пор непригодны, то для легковых автомобилей весьма приемлемы, и здесь у бесступенчатых трансмиссий, очевидно, большое будущее, тем более что и технологии материалов не стоят на месте.
Конструкция устройства,или принцип карандашей
Для того чтобы в полном объеме устроить обзор вариатор, стоит запомнить, что существует три его вида – клиноременной, тороидальный и цепной. Принцип работы каждого одинаков, конструкция разная.
Принцип карандашей, или как работает вариатор
Итак, есть два вала – ведущий и ведомый. Первый вал идет от мотора, второй вал идет к колесам. Когда двигатель не работает, передаточный ремень находится в положении, максимально приближенным к ведущему шкиву и максимально отдаленным от ведомого.
Когда двигатель работает на малых оборотах, картина немного меняется. Ремень отходит от ведущего вала и приближается к ведомому.
Когда двигатель работает на средних оборотах, ремень находится приблизительно на одинаковом расстоянии от валов. Когда двигатель работает на полной мощности, картина полностью противоположна первой. Ремень утоплен в шкив ведомого вала, но полностью вытолкнут от шкива ведущего вала.
Клиноременной вариатор
Особенность, как всегда, заложена в названии. Сверху уже было упоминание о том, что основой вариатора есть валы со шкивами – ведущий и ведомый. А вот соединяет их и передает нужную информацию от одного к другому клиновидный ремень. Так как перед этим ремнем стоят особые задачи и нагрузки на него огромные, состав его особенный. Это смесь резины и ткани, делающая ремень невероятно прочным, намного прочнее того ремня генератора.
Почему ременной, разобрались. Теперь остался вопрос, почему клин. Так вот, форма ремня трапециевидная. Дело в том, что к шкиву он прижимается боками, как бы образуя клин. Несомненно, это место наибольшего трения, ремень изнашивается, истончается и трескается в этих местах. Но это не повод его тут же сменить. Ремень еще больше утопится в шкив и качество сцепки между ним и шкивом не пострадает. Необходимую жесткость обеспечивают стальные пластины, которые покрывают среднюю часть.
Тороидный вариатор
Все то же самое, только без ремня. Его функции выполняют диски. Или ролики, как вариант названия. Есть еще совсем простое название – колеса. Это все сопряжено с внешним видом. Вместо ведущего и ведомого вала в тороидном вариаторе используются диски. У дисков есть две оси вращения – горизонтальная и вертикальная. В зависимости от положения ролика ведущего диска, его отзеркаливает ролик ведомого диска. Примерно этот процесс изображен на картинке ниже.
Недостатки и преимущества вариатора
К вышесказанному о вариаторах стоит прибавить самое главное – в чем их суть и зачем устанавливать их вместо привычных механических коробок передач и автоматических. Весь фокус в приставке «бесступенчатая трансмиссия». Вариатор не требует переключения передач вручную, справляясь с этим самостоятельно, при этом не чувствуется характерных рывков при трогании с места или переключение с первой скорости на вторую. Многим водителям это не нравится, ведь это практически отобранное удовольствие управления. Повинуясь запросам потребителей, современные вариаторы настраиваются таким образом, что двигатель по звуку работает, как и раньше, набирая обороты перед переключением скоростей.
Типы вариаторов
Передача вращающего момента в вариаторах происходит за счет сил трения - независимо от типа конструкции, регулирование передаточного отношения, как правило осуществляется путем переноса точек контакта элементов передачи.
Рассмотрим несколько основных конструктивных схем вариаторов.
Лобовой вариатор
Принципиальная схема вариатора с перекрещивающимися валами (или лобового) показана на рисунке.
Ось ведомого вала перпендикулярна оси ведущего. На ведущем валу закреплен диск. Каток с фрикционными накладками установлен на шлицах ведомого вала. Получается, что каток может линейно перемещаться вдоль оси ведомого вала. Если каток вариатора прижат диску то вращение будет передаваться от ведущего вала к ведомому. Причем соотношение скоростей в вращающих моментов будет зависеть от расположения точки касания.
Чем ближе эта точка к центру тем медленнее будет вращаться выходной вал, и тем выше будет вращающий момент на нем.
n1*X=n2r
- где n1 - частота вращения ведущего вала
- n2 - частота вращения ведомого вала
- X - расстояния от центра ведущего диска до точки касания
- r - радиус ведомого катка
Передаточное отношение вариатора (отношение, угловых скоростей, частот вращения, моментов) можно вычислить по формуле:
i=n1/n2=r/x
Диапазон регулирования лобового вариатора определяется минимальным и максимальным значением Х:
D=imax/imin=Xmax/Xmin
Представленная конструкция вариатора позволяет реализовать изменять и направление вращения ведомого вала. Если точку касания диска переместить в противоположную сторону от центра ведущего диска, то направление вращения ведомого вала изменится.
Вариатор с раздвижными конусами
Вариаторы этого типа получили широкое применяют в трансмиссиях автомобилей, мотоциклов, станков. Устройство вариатора с раздвижными конусами показано на рисунке.
Валы установлены в корпусе на подшипниках. Оси вращения ведущего и ведомого валов расположены параллельно.
На ведомом и ведущем валу расположены конические диски, которые могут перемещаться вдоль осей вращения.
Между дисками зажат стальное или армированное резиновый ремень. При вращении ведущего вала, вращение через ремень передается ведущему валу.
Получается, что диски образуют два шкива, между которыми расположен ремень, благодаря конструкции рабочий диаметр шкивов может изменяться, а значит будет меняться и передаточное отношение.
Отношение частот вращения валов вариатора будет зависеть от расположения точек касания дисков и конуса.
Чем дальше точка касания от оси вращения ведущего вала, и чем ближе к оси вращения ведомого, тем выше будет частота вращения ведомого вала.
Передаточное отношения вариатора с раздвижными конусам можно вычислить по формуле:
i=n1/n2=X2/X1
Диапазон регулирования можно вычислить, используя зависимость:
D=imax/imin=(Xmax/Xmin)2
Вариатор с постоянными конусами и промежуточным диском
Устройство вариатора показано на рисунке.
На ведомом и ведущем валу вариатора закреплены конические барабаны, между которыми, на оси расположен каток. С помощью винта каток может перемещаться по оси. Пружина позволяет обеспечить надежное прижатие барабанов и катка.
Передаточное отношение вариатора будет зависеть от расположения точки касания катка и барабанов:
i=n1/n2=X2/X1
Диапазон регулирования будут определяться как:
D=imax/imin=(Xmax/Xmin)2
Торовый вариатор
Конструкция торового вариатора показана на рисунке.
На валах расположены торовые чашки со сферическими поверхностями. Между чашечками установлены ролики, через которые вращающий момент передается от ведомого вала к ведущему.
Регулирование передаточного отношения осуществляется за счет изменения угла наклона роликов. Если ролики перпендикулярны дискам, то передаточное число будет равно 1.
Двухступенчатые вариаторы
Для диапазонов регулирования выше 10 рекомендуется применять двухступенчатые вариаторы, содержащие две фрикционные передачи. Разработаны конструкции с регулированием двух и четырех шкивов. В зависимости от способа перемещения дисков различают:
- вариаторы с принудительным перемещением двух дисков на ведущем и ведомом валах или на промежуточном валу и с двумя плавающими дисками;
- с принудительным перемещением двух дисков и с двумя подгруженными дисками;
- с принудительным перемещением четырех дисков.
КПД двухступенчатых вариаторов с плавающими дисками не составляет 60-85%. Применение схемы с четырьмя принудительно перемещаемыми дисками позволяет повысить КПД вариатора.
Применение вариаторов
Вариаторы используют в качестве бесступенчатой трансмиссии:
- автомобилей;
- сельскохозяйственных машин;
- волочильных станков;
- прессов;
- прокатных станов;
- токарно-винторезных станков;
- фрезерных станков;
- текстильных и других станков с намоточными устройствами.
Ресурс ремня вариатора
При работе вариатора в ремне возникают циклически изменяющиеся напряжения. Под действием циклического деформирования в элементах ремня необратимые возникают усталостные изменения - появляются микротрещины, надрывы, которые в итоге приводят к разрыву ремня.
Для повышения надежности работы вариатора для производства ремней используются современные износостойкие полимеры, композиционные материалы, применяется армирование, также разрабатываются конструкции с металлическими "цепными" ремнями.
Масло для вариатора
Правильное подобранное масло позволяет значительно повысить ресурс и надежность вариатора.
Масло, залитое в вариатор должно обеспечивать следующие функции:
- смазывание поверхостей подвижных деталей;
- отвод тепла от нагретых элементов;
- удаление мелких частиц износа из зоны контакта трущихся деталей;
- предотвращении коррозии металлических поверхностей;
- сохранять характеристики в широком диапазоне рабочих температур.
Получается, что с одной стороны масло должно смазывать подвижные детали, с другой - не допускается проскальзывания ремня. Добиться этого помогает специальное масло низкой вязкости с присадками, отличающееся, от того, что заливают в в редукторы, коробки передач и т.д.
Важным фактротом надежности вариатора является и своевременная замена масла. На современных автомобилях масло в вариаторе рекомендуется менять не реже, чем каждые 30 тысяч километров пробега.
Оставить комментарий: