Совершенствование схемы трансмиссии на основе вариаторной передачи

УДК 621.85

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМЫ ТРАНСМИССИИ НА ОСНОВЕ ВАРИАТОРНОЙ ПЕРЕДАЧИ

©2010 г. В.И. Хижняк, П.Л. Яценко

Предложена новая схема передачи крутящего момента с использованием вариатор-ной передачи. Особенность предлагаемой схемы заключается в том, что вариаторная передача используется как управляющий элемент, позволяющий бесступенчатое регулирование крутящего момента, при этом, чтобы уменьшить буксование, воспринимает только часть передаваемого крутящего момента.

Ключевые слова: трансмиссия, вариаторная передача, крутящий момент, коэффициент полезного действия, схема.

The authors present a new transfer scheme of torsion moment using CVT transmission. According to the scheme under consideration CVT transmission is used as control element which has got stepless regulation of torsion torque and, in addition to decrease skidding, it takes just only a part of transmitted torque torsion.

Key words: transmission, CVT transmission, torsion torque, coefficient of efficiency, scheme.

Начиная с 1886 года, когда был зарегистрирован патент на вариатор, происходит развитие и совершенствование вариа-торных передач. Сегодня многие производители автомобилей, включая General Motors, Audi, Honda и Nissan, используют в трансмиссии вариаторные передачи.

Особенность вариатора в том, что он не имеет набора зацепляющихся друг с другом зубчатых колес. Самый распространенный клиноременный вариатор, состоящий из двух шкивов с перемещающимися боковинами шкивов и клинового ремня, позволяет получить бесконечное количество передаточных чисел между максимальными и минимальными значениями без дискретных шагов или переключений [1-5].

Шкивы с изменяемым диаметром вращения ремня - основа любого вариатора. Каждый шкив состоит из двух боковин, которые могут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении. Ремень перемещается в желобке, образованном этими боковинами.

Принцип действия вариатора следующий. Когда боковины раздвигаются, диаметр вращения уменьшается, ремень опускается ниже в желобе, а радиус петли ремня

вокруг шкива уменьшается. Когда боковины сближаются, диаметр увеличивается, ремень поднимается в желобе, а радиус петли ремня вокруг шкива увеличивается. Для перемещения боковин в вариаторах используют гидравлическое давление, центробежную силу или силу сжатия пружин.

В вариаторных передачах шкивы с переменным диаметром вращения ремня всегда применяются парами. Один шкив является ведущим и соединяется с источником энергии, другой шкив является ведомым и соединяется с рабочим органом.

Расстояние между центром боковины и местом контакта ремня называется радиусом вращения ремня. Когда боковины расходятся, ремень опускается, и радиус вращения уменьшается. Когда боковины сходятся, ремень поднимается, и радиус вращения увеличивается. Соотношение радиусов вращения ремня ведущего шкива к ведомому шкиву определяет передаточное число. При увеличении радиуса вращения ремня одного шкива другой уменьшает свой радиус вращения ремня, чтобы поддерживать натяжение ремня. Изменение радиусов вращения ремня шкивов происходит плавно, что создает бесчисленное множество передаточных соотношений,

начиная с минимально возможного и заканчивая максимально возможным.

Недостатком вариаторной передачи является наличие ремня, который может скользить и вытягиваться, что снижает коэффициент полезного действия передачи.

В трансмиссии нашли применение только два вида вариаторов:

- клиноременный вариатор;

- тороидный вариатор.

Клиноременной вариатор состоит из

нескольких, как правило, одной-, двухременных передач, шкивы которых образованы коническими боковинами. Различные фирмы разработали свои конструкции клиноременного вариатора. Так, фирма Audi в трансмиссии МиШйотс вместо ремня применила цепь, а фирма Honda использует из-

готовленный из металлических пластин ремень, но принцип от этого не меняется.

Для начала движения используется обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управление дисками шкивов осуществляет электронная система из сервоприводов, блока управления и датчиков.

В передаче используется клиновидный ремень, имеющий трапециевидную форму поперечного сечения, работающий только своими боковыми поверхностями. При износе этих поверхностей, благодаря своей форме, он входит глубже в шкив, при этом сохраняя хорошее сцепление.

Рабочий процесс клиноременного вариатора представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Принцип работы клиноременного вариатора

Иначе устроен тороидный вариатор (рис. 2), 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 вариаторе Extroid (Nissan, Япония) при-

менена специальная система, где управляемый электроникой прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на небольшую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам.

В настоящее время вариаторы такого типа использует компания Nissan. Представленная ими модель тороидного вариатора в 1999 году была удостоена звания «Технология года». Конструкция тороид-ного вариатора использует повышенное трение между составляющими его частями, что вызывает необходимость применения самых современных и устойчивых к износу материалов.

Недостаток тороидного вариатора -дороговизна конструкции.

В конструкцию вариаторной трансмиссии входят планетарный редуктор и блок управления. Планетарный редуктор обеспечивает возможность движения задним ходом. Блок управления представляет собой набор микросхем, который управляет работой всей системы (регуляция движения шкивов, управление сцеплением и планетарным редуктором).

Трансмиссии на основе вариаторной передачи имеют ряд достоинств:

- возможность получить бесконечное число передаточных чисел в заданном интервале;

- плавность изменения передаточных чисел без разрыва потока мощности;

- эффективность использования мощности двигателя;

- малые габариты.

Рис. 2. Принцип работы тороидного вариатора

Есть и недостатки у вариаторных передач. Наиболее конструктивно слабыми местами существующих сегодня вариаторов являются: для клиноременного - материал ремня, а для тороидного - пятно контакта диска и ролика, где сила давления достигает 10 тонн. Поэтому здесь приме-

няются специальные высокотехнологичные материалы, что делает надежность вариаторов достаточно высокой, но все же из-за нагрузок на ремень или пятно контакта вариаторы пока не могут передавать поток большой мощности.

Актуальной проблемой современности является разработка схемы трансмиссии на основе вариаторной передачи, которая лишена основных недостатков современных вариаторных трансмиссий.

Основные направления совершенствования:

- уменьшение мощности передаваемой вариаторной передачей, при передаче большого по значению крутящего момента;

- исключение перегрузок, которые могут возникать при начале движения.

На современном этапе развития техники возникла необходимость создания и внедрения вариаторных трансмиссий, способных с высоким КПД передавать мощность более 200 л. с.

Производители пытаются повысить надежность и КПД вариаторных трансмис-

сий путем внедрения новейших материалов, но до сих пор они значительно уступают по надежности механическим трансмиссиям.

Рассмотрим один из путей решения данной проблемы. На рисунке 3 представлена схема предлагаемого редуктора. Крутящий момент с приводного вала 1 поступает на ведущую шестерню 2 и ведущий шкив 4, которые установлены на приводном валу 1, в результате часть потока мощности передаётся через механическую передачу шестерен 2 и 3, а часть через вариа-торную передачу, шкивы 4 и 5. После этого, пройдя через шестерни 6 и 7, а также сателлиты 8 дифференциала, крутящий момент суммируется и поступает на корпус дифференциала 9, а затем на выходную шестерню 10.

Рис. 3. Схема предлагаемого редуктора:

1 - приводной вал; 2 - ведущая шестерня; 3 - ведомая шестерня; 4 - ведущий шкив вариа-торной передачи; 5 - ведомый шкив; 6, 7 - шестерни полуосей; 8 - сателлиты; 9 - корпус дифференциала; 10 - выходная шестерня

Отличительная особенность предлагаемого решения заключается в том, чтобы передавать через вариаторную передачу не всю мощность, а сделать вариаторную передачу управляющим элементом, который воспринимает только часть передаваемой мощности, при этом позволяющий бесступенчатое изменение мощности. В результате на вариаторную передачу действует часть передаваемой мощности, что повышает надежность и долговечность вариа-торной трансмиссии, тем самым позволяет передавать большую по значению мощность.

По предлагаемому принципу можно построить схемы, в которых поток мощности будет делиться два, три и более раз, и деление может продолжаться до бесконечности, с каждым разом уменьшая поток

мощности, приходящейся на вариаторную передачу.

На рисунке 4 изображена схема редуктора с тройным разделением потока мощности. Это позволит передавать через редуктор поток мощности в восемь раз больше, чем может передавать вариаторная передача.

Для демонстрации технической характеристики вариаторного редуктора по предлагаемой схеме, возьмем характеристику одного из лучших, на сегодняшний день клиноременного вариатора, который устанавливается на автомобиле Audi А6 с характеристикой по мощности 220 л.с. и крутящему моменту 300 Нм. Редуктор по предложенной схеме сможет эксплуатироваться с двигателем в восемь раз мощнее -1760 л. с. Это позволит применять вариаторы на энергонасыщенных машинах.

Рис. 4. Схема предлагаемого редуктора с тройным разделением потока мощности

Предлагаемый редуктор может использоваться в трансмиссии посевных машин, для передачи крутящего момента от опорно-приводных колес на дозирующие

органы, плавно бесступенчато изменять передаточное число, тем самым плавно варьируя норму высева посевного материала.

Литература

1. Артобалевский, И.И. Теория механизмов и машин / И.И. Артобалевский.-Москва: Наука, 1975. - 639 с.

2. HTTP://RU.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/BAP^TOP.

3. http://cars.panick.ru/howitworks/cvt/troubles.

4. HTTP://MOIKOMPAS.RU/COMPAS/VARIATOR.

5. HTTP://AMASTERCAR.RU/ARTICLES/TRANSMIS SION_OF_CAR_11.SHTML.

Сведения об авторах

Хижняк Владимир Иванович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Механизация растениеводства» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зер-ноград). Тел. 8(86359) 43-7-77.

Яценко Петр Леонидович - студент Азово-Черноморской государственной агроин-женерной академии (г. Зерноград).

Information about the authors

Hizhnyak Vladimir Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the department of mechanization for crop production, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-7-77.

Yatsenko Piotr Leonidovich - student, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

УДК 629.1.02

ШИНА КАК УПРУГОДЕМПФИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ТРАКТОРА

© 2010 г. В.Г. Яровой, А.П. Шарапов

Разработана математическая модель системы колесо-шина-почва-остов машины. На ее основе произведен расчет параметров шины, определяющих ее свойства как упруго-демпфирующего звена силовой передачи трактора. Показана возможность реализации оптимальных параметров на примере шины с диагонально-параллельным строением оболочки.

Ключевые слова: свойства шины, математическая модель, упругодемпфирующее звено, диагонально-параллельное строение, оптимизация параметров.

The authors developed the mathematical formulation of the wheel-tire-soil-frame car system. The calculation of the parameters of a tire showed that it can be considered as an elastic damping part of farm tractor power train. A bias parallel tire is given as an example to show the possible realization of optimal parameters.

Key words: properties of a tire, mathematical formulation, elastic damping part, bias parallel structure, parameter optimization.

Одним из способов снижения энерго- колебательных процессов в силовой переда-

затрат при работе машинно-тракторного аг- че трактора, так как энергия на эти процессы

регата является уменьшение интенсивности поступает в конечном итоге от двигателя [1].