Методы выбора и оценки характеристик вариатора транспортного средства

в большом городе водитель легкового автомобиля каждые 100 км пути 700 раз нажимает на педаль сцепления и 600 раз переключает передачи. В среднем — одно переключение каждые 30 секунд. Облегчить работу водителя помогают автоматические трансмиссии, включающие, как правило, в себя гидротрансформатор, планетарный ряд шестерен, систему управления.

Однако, движение масла в гидротрансформаторе с очень высокими скоростями сопровождается больпшми потерями энергии — кпд гидротрансформатора не превьппает 0,90. Это увеличивает расход топлива, ухудшает динамические характеристики автомобиля. Указанные недостатки, а также высокая стоимость гидродинамических трансмиссий заставили конструкторов вспомнить об иных типах передач мопщости, в частности, о фрикционном вариаторе, который достаточно подробно освещен в технической литературе.

Теоретически вариатор является идеальной автомобильной трансмиссией — с его помош^ъю можно подобрать оптимальное передаточное отношение в любой момент движения, позволяя двигателю всегда работать в самом вьиодном режиме. В настоящее время вариаторы используются в трансмиссиях многих современных транспортных средств, таких как, мотороллер Honda с двигателем мощностью 20 л.с.(рис. 1, а), автомобиль Nissan с двигателем мощностью 140 л.с. .(рис. 2,а), автомобиль Audi А6 2.8 с двигателем мопщостью 193 Л.С. (рис. 3,а) и многих других. Однако, долгое время из-за различных причин преимущества вариаторов оставались лишь в теории. Вариатор (рис. 1,2,3,а) транспортного средства является фрикционной передачей гибкой связью, передающим органом которой является ремень (рис. 1,6) или цепь (рис. 2,3, б). Работа такого вариатора возможна лишь при соответствующем натяжении гибкой связи, обеспечиваюпщм надежный фрикционный контакт между ней и дисками шкивов. На начальном этапе вариатор в основном применялся в трансмиссиях лёгких и относительно маломошдых транспортных средствах (мотороллерах, снегоходах и гидроциклах) со спецификой эксплуатации в условиях бездорожья с постоянно меняющимися в широком диапазоне режимами по нагрузке и скорости. В более мощных транспортных средствах первыми стали автомобили DAF и VOLVO-343 снабжённые вариатором Variomatic, вьшускаемые длительное время и снятые с производства из-за малого ресурса ремня.

Разработка и усовершенствование вариаторного привода привела к кардинальному решению по повьппению надёжности вариаторного ремня в трансмиссии под названием Transmatic (рис. 2,а), в которой традиционный эластичный ремень заменён стальной цепью с толкающими элементами [1], [2],.

3], [12], [14], при этом работа вариатора происходит в масле.

Сразу несколько авторитетных автостроительных компаний повернулись лицом к проблеме разработки бесступенчатых трансмиссий, а достигнутые ими успехи не только впечатляют, но и позволяют рассматривать происходящее как многообещающую тенденцию. На сегодняшний день такими вариаторами под наименованиями CVT-6 [12], Speedgear, Tiptronic, Steptronic, Hypertronic, Multitronic [11], [14] с некоторыми конструктивными особенностями оснащают свои автомобили такие фирмы, как Nissan, Honda, Fiat, Ford, BMW, Rover, Volkswagen, Audi и др., причём все ведущие производители автомобилей стремятся покупать или создавать собственный вариант этой передачи. Так, например, Tiptronic вьшускает для Audi немецкая фирма ZF, а Multitronic (рис. 3,а) — собственного производства, в которой вместо стального толкающего ремня используется тянущая плоская многозвенная цепь фирмы Luk (рис. 3,6). Благодаря большей гибкости она позволила уменьшить минимальный диаметр, что расширило диапазон передаточных чисел вариатора и сделало конструкцию более компактной.

Использование стального тянущего и толкающего ремня разрешило основную проблему вариаторов — ресурс ремня, гфичём в фирменной статистике отказов (периодичности выхода из строя узлов и агрегатов) вариатор не значится, а в руководстве по обслуживанию, даже после 200 000 км не предусмотрено ни замены ремня, ни каких — либо специальных профилактических работ.

Рис. 3.

В настоящее время тенденция в развитии трансмиссий прослеживается четко: бесступенчатые вариаторы повсеместно настзЛтают во всех классах транспортных средств, и в недалеком будущем составят серьезную кошофешщю иным типам передач.

Основное внимание инженеров теперь направлено на обеспечение оптимального натяжения ремня и регулирования передаточного числа нажимными механизмами. Натяжение ремня и изменение передаточного числа в таких вариаторах осуществляет гидравлическая система с электронным управлением, позволяющая мгновенно реагировать на изменение нагрузки и скорости. «Мозг» современого вариатора позволяет как автоматически изменять передаточное число, так и обеспечивать несколько фиксированных положений. Так, например, за счёт технического исполнения вариатора Multitronic инженерам Audi удалось ранее невозможное — превратить теоретическое преимущество вариатора в разгонной динамике и экономичности в практическое. Впервые автомобиль с автоматической трансмиссией и по динамическим характеристикам, и по экономичности сумел превзойти такой же автомобиль с 5-ступенчатой механической коробкой скоростей. Если заявления Audi о достигнутых расходах топлива и времени разгона 0.100 км/ч (см. табл.1) соответствуют действительности, то это — настоящая революция в автомобильных трансмиссиях. На диаграмме (рис.4) разгона автомобиля Audi А6 2.8 с разными трансмиссиями можно проследить особенности работы вариатора Multitronic в режиме Drive — он быстрее реагирует на изменение нагрузки, его минимальное передаточное число (overdrive) ниже, а при разгоне электроника позволяет двигателю набирать обороты так, чтобы его работа по возможности оптимально соответствовала разгонной динамике.

С такими преимуществами вариатор Multitronic вскоре может вытеснить обычные механические и автоматические гидромеханические передачи.

Таблица 1.

Характеристика автомобиля Механическая.

Tiptronic Multitronic.

Audi А6 2.8 с разными трансмиссиями 5-ст. КПП.

Время разгона 0. 100 км/ч, сек. 8,2 9,4 8,1.

Средний расход топлива, л/100км 9,9 10,6 9,7.

Обороты двигателя об/гаин.

5-ст5Гпенчатая КПП.

Transmadc.

Multitronic.

100 ад.

Степень нажатия педали акселератора.

160 Скорость км’час.

Рис. 4.

В целом вариатор доказал свою полную работоспособность, а если учесть его преимущества в динамике разгона и экономии топлива, то становится понятным, почему в последнее время всё больше новых моделей оснащают именно такими трансмиссиями. Из-за сложности конструкции и трудоемкости в производстве вариаторы со стальным ремнём не могут быть рекомендованы для транспортных средств массового производства с относительно малыми мощностями двигателя. Однако, практика показала, что многие давно известные и не оправдавшие себя конструкции в новых модификациях (при применении новых материалов и современной технологии производства) оказьшаются рациональными. Именно это и произошло с вариатором, оснащённым резиновым клиновым ремнём. Высокие физико-механические характеристики ремня, обеспеченные фирмами — изготовителями, и интенсивно совершенствующаяся конструкция вариатора позволили значительно повысить надёжность и передаваемые ремнем мощности, что сделало клиноременный вариатор с резиновым ремнём также конкурентоспособным традиционным трансмиссиям. В таких видах транспортных средств как мотороллеры и снегоходы клиноременный вариатор практически вытеснил все другие известные передачи. Конструкции мотороллеров и снегоходных машин таких фирм как Yamaha, Kawasaki, Honda, Suzuki, Bombardier и др. в качестве трансмиссии имеют автоматический клиноременный вариатор с постоянным межцентровым расстоянием, коротким ремнём (600. 1100 мм) и обоими регулируемыми шкивами. Об увеличивающей надежности резинового клинового ремня говорит тот факт, что никогда не использующая фрикционные приводы фирма «Харлей Девидсон» для своего мотоцикла «Супер Клайд» с двигателем мощностью 48 л.с. вместо традиционного цепного привода заднего колеса поставила клиноремённую передачу.

Несмотря на достигнутые успехи, потенциальные возможности клиноременного вариатора используются не полностью. Существующие оценочные характеристики их работы дают общую картину процессов, происходящих при работе клиноременного вариатора, но их явно недостаточно для оптимизации согласованных режимов работы вариатора и двигателя.

Вследствие идентичности основных рабочих процессов, происходящих в клиноремённых вариаторах, оснащённых различными ремнями, результаты гфоводимых исследований могут быть использованы при создании более совершенных передач.

В свете стоящих задач по повьнпению эксплуатационных параметровтранспортных средств работы по исследоваипо автоматических клиноремённых вариаторов являются актуальными. В большинстве случаев клиноременный.

10 вариатор являются продуктом массового производства. Поэтому даже малейшие достижения в совершенствовании элементов передач гибкой связью, касающиеся возможностей снижения габаритов, повьппения нагрузочной способности, увеличения эффективности и ресурса приводят к существенному экономическому результату. В этой связи наметившееся расхождение между решениями, даваемыми классической теорией ременных передач и экспериментами, не нашедшее отражения в нормативной документации, требует дополнительного детального изучения. Актуальность представляет не только оценка реально происходящих физических явлений, но и пересмотр традиционных принципов в установлении норм нагрузочной способности, совершенствование методов инженерных расчетов. Достигнутые в этой области результаты могут быть успешно перенесены на аналогичные передачи других отраслей машиностроения.

В качестве объекта исследований выбран автоматический клино-ременный вариатор снегохода, как наиболее полно охватьшающий все возможные условия работы (переменность скоростного и нагрузочного режима, вьшолнение функций муфты сцепления) и имеющий наиболее массовый вьшуск.

Результаты работы позволяют сделать следующие выводы:

1. В настоящее время вариаторный привод с гибкой связью трением актуален, т.к. предоставляет транспортному средству наилучшие возможности реализации высоких экономических и динамических показателей. Рациональность применения вариатора с той или иной гибкой связью трением определяется его предельными геометрическими и нагрузочными возможностями.

2. В расчёте вариатора с гибкой связью трением использование зависимостей, характерных для нерегулируемой передачи, недостаточно. Для получения полного геометрического анализа следует использовать зависимости, позволяющие учесть специфические особенности вариатора, в частности, максимально возможные запасы диаметров шкивов.

3. При выборе широкого клинового ремня для вариаторов транспортных средства следует совместно учитывать два критерия его тяговой способности:

• Отсутствие возможной потери поперечной устойчивости при сжатии в канавках шкивов.

• отсутствие возможного буксования ремня.

4. Для определения предельных нагрузочных характеристик вариатора следует учитывать возможные локальные значения поперечной жёсткости и коэффициента трения ремня.

5. Для расчёта клиноремённых вариаторов транспортных средств необходимо учитывать весь комплекс физических явлений, проявляющихся при работе ремня под нагрузкой — таких как изменение осевого давление на диск регулируемого шкива и его возможное дополнительное смещение, определяемое приведённой жёсткостью ремня и жёсткостью всей системы управления подвижным диском.

6. Указанные в работе пути использования полученных результатов и новый подход к решению прикладных задач оценки предельных характеристик вариатора, а также выбора для него клинового ремня и расчёта дополнительного перемещения диска шкива под нагрузкой даёт возможность расширить базу при создании и доводке новых моделей вариатора с гибкой связью трением не только для транспортных средств, но и для машин общепромышленного назначения.