Разработка адаптивного дискового фрикционного вариатора для транспортных средств повышенной проходимости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка адаптивного дискового фрикционного вариатора для транспортных средств повышенной проходимости

к.т.н., доцент А.И. Пономарев

магистрант А.П. Белкина

Бесступенчатые трансмиссии, обеспечивающие плавное изменение крутящего момента на выходном элементе в зависимости от его частоты вращения, вызывают большой интерес в мировом автомобилестроении. Наряду с гидродинамическими, гидрообъемными, электрическими трансмиссиями, большое распространение получают механические бесступенчатые фрикционные передачи (вариаторы).

Вариаторы имеют огромный потенциал для развития, что сопровождается все более активным вытеснением ступенчатых и рассмотренных типов немеханических бесступенчатых передач на самом массовом их потребителе - автомобилях. Вариаторы также позволяют получить наиболее простую и экономичную схему гибридного привода.

Таким образом, проблема создания эффективной автоматической механической фрикционной бесступенчатой трансмиссии для автомобиля в качестве альтернативы, прежде всего, ступенчатым коробкам передач, безусловно, является актуальной.

Преимущества фрикционного вариатора. Фрикционные вариаторы имеют ряд преимуществ перед другими видами бесступенчатых передач.

Также как и гидродинамическим передачам (гидротрансформаторам), наиболее распространенным в настоящее время в автомобильной промышленности, фрикционным вариаторам может быть присуще свойство автоматического изменения передаточного отношения в зависимости от нагрузки на выходном валу, то есть они могут быть адаптивными. Но эти вариаторы имеют значительно более широкий диапазон передаточных отношений при высоком КПД, а также, в отличие от гидротрансформаторов, могут применяться в гибридных схемах трансмиссий с механическими накопителями, где требуется передача энергии как от накопителя к колесам, так и обратно, что в случае гидротрансформатором крайне затруднительно. Это делает фрикционные вариаторы еще более перспективными для дальнейшего развития.

В отличие от электрических передач, при создании систем, рассчитанных на передачу значительных крутящих моментов, фрикционные вариаторы, в частности многодисковые, имеют значительно меньшие массу и стоимость. Это обусловлено тем, что каждая электромашина рассчитывается на определенный крутящий момент по своему максимальному магнитному полю. Повышение создаваемого (передаваемого) крутящего момента происходит за счет увеличения размеров электромашины, что ведет и к увеличению ее стоимости. В вариаторах отсутствует преобразование форм и видов энергии, что по сравнению с гидродинамическими, гидрообъемными и электрическими передачами является большим преимуществом.

Устройство и принцип работы адаптивного планетарного дискового вариатора и бесступенчатой автоматической коробки переключения передач на его основе. Устройство и принцип работы бесступенчатой автоматической коробки передач на основе адаптивного планетарного дискового вариатора ниже поясняются на основе принципиальной кинематической схемы, приведенной на рисунке 1.

Рис 1 Схема автоматической бесступенчатой коробки передач автомобиля на основе нового планетарного дискового адаптивного вариатора: 1 -- ось поворотных рычагов; 2 - соединительная муфта; 3 -- водило; 4 -- тарельчатая пружина; 5 -- внутренний центральный фрикционный диск; 6 - подшипники сателлитов; 7 - сателлит; 8 -- фрикционы; 9 -- плоская дисковая пружина; 10 -- внешний центральный фрикционный диск; 11 -- ось сателлитов; 12 -- противовес; 13 --ролик; 14 -- кулачковый регулятор; 15 -- шток; 16 -- зубчатая полумуфта; 17 -рычаэюный механизм; 18 - каретка; 19 - выходной вал; 20 -- эпицикл; 21 -- поворотный рычаг; 22 --рабочая поверхность кулачкового регулятора; ЖСМ-- жидкий смазочный материал [1]

Вариатор включает два (10 и 5) ряда центральных фрикционных дисков, между которыми с помощью тарельчатых (или плоских дисковых) пружин 4 и 9 зажаты сателлиты 7. Число сателлитов в одном ряду -- шесть, хотя для мощных устройств с малым диапазоном варьирования их может быть и до 12. Подшипники 6 расположены на концах поворотных рычагов 21. Вторые концы этих рычагов использованы для размещения противовесов 12, одна группа которых снабжена роликами 13, входящими в контакт с рабочим профилем 22 кулачкового регулятора 14, связанного с выходным валом 19. Сами рычаги 21 посажены на оси 1, закрепленные в водиле 3. Ролики 13 отжимаются на периферию принудительно, через рычажный механизм 17, на который воздействует, через систему выжимных подшипников, шток 15, перемещаемый либо вручную, либо с помощью усилителей, имеющих упругую характеристику (например, пневмокамер, управляемых от пневмосистемы автомобиля). Это позволяет изменять степень адаптивности вариатора, чем, собственно, и ведется управление скоростью автомобиля.

Крутящий момент от маховика двигателя к первичному валу коробки передач передается через пакет круглых стальных пластин 2; функции сцепления выполняют фрикционы 8. При зажатии правого пакета данных фрикционов тормозится эпицикл 20, что в совокупности с перемещением влево каретки 18 с зубчатой полумуфтой 16, связанной телескопически с выходным валом 19, позволяет получить передачи переднего хода. Если зажимается левый пакет фрикционов, то тормозится водило 3, и эпицикл 20 вращается в сторону, противоположную вращению первичного вала. С выходным валом он соединяется перемещением каретки 18 вправо. В итоге автомобиль получает возможность двигаться задним ходом. Нейтрали же соответствует промежуточное или центральное положение каретки 18.

При изменении крутящего момента на выходном валу 19 ролик 13, находящийся до того в уравновешенном состоянии, под действием усилий пружин 4, 9 и штока 15, а. также тангенциальных усилий рабочего момента и других усилий в механизме вариатора изменяет свое положение на рабочей поверхности кулачкового регулятора, меняя тем самым передаточное отношение. Нажимные пружины 4 и 9 при этом упруго деформируются за счет расклинивающего действия сателлитов, что при вращении фрикционных дисков связано с ничтожным сопротивлением трению, и, имея специально подобранные характеристики "сила--деформация", обеспечивают оптимальный по КПД нажим фрикционных дисков, с запасом в = 1,25... 1,5. Рабочий профиль 22 можно выполнить и таким, когда он лишь уменьшает или полностью устраняет усилие перевода ролика 13 при изменении передаточного отношения.

Таким образом, свойство адаптивности действительно является "врожденным" свойством, присущим конструкции вариатора, и достигается лишь подбором формы рабочего профиля 22 и усилием на штоке 15.

Следует отметить также оптимизированный автоматический прижим фрикционных дисков, зависящий от передаточного отношения вариатора. Это позволяет учитывать изменяющийся коэффициент упруго гидродинамического трения во фрикционных контактах, тоже зависящий от передаточного отношения вариатора. Такой способ прижима фрикционных элементов, будучи наиболее простым из известных, позволяет оптимизировать вариатор по КПД применительно к современной автоматической системе управления скоростью автомобиля.

Стенд для проведения испытаний опытного образца вариатора. Схема установки для проведения испытаний опытного образца вариатора представлена на рисунке 2. Мотор-вариатор 1 установлен на станине 17. На выходном валу вариатора зафиксирован тормозной барабан с кольцевой полостью для заливки охлаждающей воды, а также установлен прорезной диск 11 для фотоэлектрического датчика 9 электронного тахометра ТЭМП-4. Аналогичным диском 15 снабжен задний конец вала электродвигателя. С этим диском взаимодействует фотоэлектрический датчик 13. В крышке вариатора установлен термометр 5 (TGL-11.997). Тормозной барабан взаимодействует с колодками нагрузочного тормоза 3. Зажим колодок производится винтом 2. Конец нагрузочного тормоза имеет отверстие на расстоянии 500 мм от центра тормозного барабана, в которое входит крепежный элемент динамометра растяжения 7, подвешенного на опоре. Для контроля тока в обмотках электромотора предусмотрен амперметр 8.

Рис. 2 Схема испытаний мотор-вариатора: 1 - динамометр растяжения; 2 -регулировочный винт; 3 - нагрузочный тормоз; 4 - вариатор; 5 -- термометр; 6-- асинхронный электродвигатель; 7 -- рычаг регулятора адаптивности; 8 - амперметр; 9 и 13 -- фотоэлектрические датчики; 10 и 14- кронштейны; 11 и 15 - диски светопрерывающие; 12 и 16--блоки индикации, тахометры; 17 -- станина

Испытания опытного образца вариатора включали в себя следующие этапы [2,3]:

1) тарировочные испытания электродвигателей 80А4/1420 и 80W2/2850 для получения экспериментальных зависимостей крутящего момента на выходном валу электродвигателей от частоты вращения и тока;

2) испытания мотор-вариатора в адаптивном режиме при входной частоте вращения 1420 мин^-1 при смазке моторным маслом М-8;

3) то же при смазке трактантом Сантотрак-50;

4) то же по п. 2 при входной частоте вращения 2850 мин^-1;

5) то же по п. 3 при входной частоте вращения 2850 мин^-1;

6) испытания мотор-вариатора с фиксацией передаточного отношения дисками в 5 вариантах при смазке маслом М-8 и входной частоте вращения 1420 мин^-1;

7) то же при смазке трактантом Сантотрак-50;

8) то же по п. 6 при входной частоте вращения 2850 мин^-1;

9) то же по п. 7 при входной частоте вращения 2850 мин^-1;

10) вся группа экспериментов по пункту 2-5 была заново проведена с переворотом кулачкового регулятора 13 на 180° и реверсом электродвигателя. Последнее необходимо для определения характеристик вариатора как при тангенциальных силах, образующих рабочий крутящий момент, направленный от оси сателлитов к центру поворотного рычага, так и обратно. При этом момент от тангенциальных сил, действующих на поворотный рычаг, меняет свое направление на обратное, что сказывается на законе изменения момента выхода Т₂ от передаточного отношения i.

механический фрикционный бесступенчатый трансмиссия

Список использованных источников

1. Камаль Альскейф Динамика двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке // Известия ВУЗ'ов Машиностроение - 2007 - № 8 - С 44-48.

2. Камаль Альскейф, Фоминых А.Б. Математическая модель движения по ровной дороге двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке //Известия ВУЗ'ов Машиностроение -2007. -№ 7 - С 32-36.

3. Фоминых А.Б., Камаль Альскейф Дифференциальный механизм с переменным передаточным числом // Известия ВУЗ'ов Машиностроение - 2006 - № 12 - С 37-42.

Размещено на Allbest.ru