Главная страница
in Englishauf deutschна русском
  Главная страницаСтатьиРазработкиВыставки 
 КадрыПатентыКонтактная информация  
 

ИНФОРМАЦИОННАЯ ЗАПИСКА
об использовании высокомоментных вариаторов (ВМВ) нефрикционного типа

Работа направлена на решение задачи эффективной передачи механической энергии от двигателя к рабочему органу (РО), например, к движителям сельскохозяйственного трактора.

Любой машинный агрегат (МА) содержит двигатель (РО) и кинематико-динамический преобразователь (КДП), назначение последнего состоит в согласовании работы двигателя и РО (рис. 1), т. е. потребитель с помощью этого устройства должен получить механическую энергию от двигателя «требуемого качества».

Рис. 1. Схема машинного агрегата (МА)

1 – кинематико-динамический преобразователь (КДП);
2 и 3 – входной и выходной валы КДП; 4 – двигатель;
5 – рабочий орган (РО); ω – угловая скорость; M - момент

Известно, что в большинстве случаев, о чём писал В. П. Горячкин, оптимальной для РО является характеристика (рис. 2), имеющая гиперболический характер для момента при постоянной потребляемой мощности – сплошная линия, что соответствует характеристике т. н. двигателя постоянной мощности (ДПМ). Реально достижимая оптимальная характеристика показана пунктиром, где следует отметить стоповый момент Мst при нулевой скорости вала 3, обеспечивающий работу в «стоп-режиме». Это важнейшее свойство, необходимое для эффективной работы РО в динамическом режиме.

Рис. 2. Скоростные характеристики

Сказанное даёт основание для двух направлений совершенствования МА – это создание и совершенствование двигателей или КДП.

Совершенствование двигателей нельзя назвать успешным. Из тепловых двигателей самым распространённым остаётся двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который не может непосредственно обеспечить «стоп-режим», так как не работоспособен при малых скоростях (рис. 2) и требует сложных и дорогих КДП, таких как: фрикционная муфта с многоступенчатой коробкой передач (имеет место прерывание передачи энергии); гидротрансмиссии (потери более 20%); электротрансмиссия (металлоёмка и имеет высокую стоимость).

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости создания в качестве КДП дешёвого, экономичного, надёжного и компактного механического вариатора, который способен обеспечивать «стоп-режим» и варьировать, т. е. плавно изменять скорость и момент без прерывания передаваемой мощности.

Высокомоментным вариатором (ВМВ) будем называть вариатор, конструкция которого позволяет эффективно передавать мощность более 50 кВт при приемлемом значении коэффициента неравномерности

δ = (ω3, max - ω3, min) / ω3, СР .

Вариаторы делятся на фрикционные и нефрикционные. Во фрикционных вариаторах передача вращения осуществляется силами трения (касательными силами), для создания которых контактная нагрузка между фрикционными парами должна быть в 10 – 25 раз выше рабочей, что является препятствием к созданию фрикционных ВМВ.

Нефрикционными вариаторами, в соответствии с определением А. А. Благонравова [1], будем называть такие, в которых кинематические пары имеют голономные связи. В этом случае рабочие нагрузки передаются нормальными силами, что даёт основание для реализации ВМВ.

Рассматривая теоретически вопрос о конструкции вариатора, детали которого имеют только голономные связи, А. А. Благонравов пришёл к выводу об обязательном наличии в такой конструкции действующего от входного вала колебательного механизма (КМ) с колебательным валом (КВ) и выпрямителя (В), преобразующего колебания в однонаправленное вращение выходного вала. Варьирование передаточного отношения достигается изменением размаха λ колебаний КВ, а выпрямитель должен иметь нефрикционные обгонные муфты (ОМ).

Достаточность вышеназванных условий доказана известными конструкциями кинематических и динамических вариаторов, а необходимость можно опровергнуть ссылкой на вариаторы без указанных особенностей, но такие конструкции не известны.

В кинематических вариаторах КВ имеет жесткую кинематику, задаваемую кулачковым или некулачковым КМ. В динамических вариаторах (трансформаторы момента), колебания КВ осуществляют силы инерции от дебалансов. Существенным недостатком известных вариаторов является неприемлемое для практики большое значение δ .

Представленная работа касается только кинематических вариаторов, совершенствование которых следует проводить в направлении разработки эффективных КМ и выпрямителей.

Рис. 3. Схема импульсного ВМВ

Ш и 4 – шестерня и зубч. колесо; 5 – упругая муфта;
РУ – рукоятка управления; α, γ, φ – углы поворота;
ω – угловая скорость

На рис. 3 дана конструкция ВМВ с выпрямителем типа В2, т. е. с двумя ОМ, обеспечивающая, как показано на рис. 4, выпрямление при любом положении входного вала, при этом δ с таким выпрямителем равен двум или, за счёт обгонного действия муфт, чуть меньше, (участок b-d на графике). Передаточное отношение выпрямителя В2 равно

u = ω4 / |ωК| .

Рис. 4. Угловые скорости КВ ωК и
выходного вала ωВ выпрямителя В2

Вариаторы с выпрямителем В2 называются импульсными (ВМВ2), и область их применения ограничена. Возможность применения ВМВ2, в которых уменьшение δ достигается упругой муфтой изложена в [2]. Автором изготовлен опытный импульсный ВМВ2 с оригинальным КМ [3].

Радикальное решение проблемы уменьшения δ предложено в заявке на немецкий патент Риндфляйшем [4], схема такого вариатора показана на рис. 5, где применены действующие со сдвигом по фазе на 90° два выпрямителя В2. Ведомые шестерни Ш выпрямителей вращают колёса 4 трёхвального дифференциала, а водило 6 с сателлитом 5 закреплено на выходном валу 3 вариатора. Скорость выходного вала равна средней скорости колёс дифференциала

ω3 = 0,5 (ωa + ωb) ,     (1)

т. е. пульсирующие скорости на выходных звеньях выпрямителей усредняются дифференциалом. Такой выпрямитель назовём Д-выпрямителемД), а вариатор обозначим ВМВД.

Рис. 5. Схема ВМВД с Д-выпрямителем (ВД)

1 – корпус; 2 – входной вал; 3 – выходной вал;
4 – колесо дифференциала; 5 – сателлит;
6 – водило

Для обеспечения δ = 0 применяются кулачковые КМ, обеспечивающие без обгонной работы ОМ скорость

ωa = 2ω2λu sin²α ,

где λ – размах колебаний КВ. Из (1) имеем (рис. 6)

ω3 = ω2λu [sin²α + sin²(α + 90°)] = ω2λu,

следовательно, при постоянной скорости входного вала ω2 скорость выходного ω3 = const, и передаточное отношение вариатора составит

i = ω3 / ω2 = u (λ / π) = 0 … imax = u (λmax / π) .     (2)

Рис. 6. Скорости звеньев дифференциала

Математическое моделирование работы ВМВД с использованием уравнений Лагранжа 2-го рода показало [2], что при работе ОМ в режиме обгона имеет место автоматическое, т. е. без РУ, изменение скорости ω3: при увеличении М3 скорость ω3 может уменьшиться примерно в два раза и наоборот; при этом равномерность вращения сохраняется (δ ≈ 0).

Обозначив критический размах колебаний λ0, при котором начинается однонаправленное вращение выходного вала, имеем значение стопового момента

Mst = M2π / (λ0u) ,

откуда следует уникальное свойство ВМВ – очень большой момент на выходном валу: ВМВ способен увеличивать передаваемый момент в сто и более раз. На рис. 7 показаны скоростные характеристики. Момент на выходном валу М3 ограничен прочностью деталей ВМВ, следовательно,

M3 ≤ M3st = M3max < Mst ,

и работоспособность вариатора можно обеспечить занижением потребляемой от двигателя мощности при малых i при скоростях

0 ≤ ω3 < ω3п = N / M3st ,

где снимаемая с вала ВМВ мощность N = М ω3max = М3 ω3 при скоростях

ω3п ≤ ω3 < ω3max = ω2λmaxu .

u, λmax, М3st – основные параметры ВМВ.

Рис. 7. Скоростные характеристики на выходном валу ВМВ

Конструктивных схем ВМВД достаточно много, например [4 – 7].

На рис. 8 дана наиболее рациональная разработанная автором конструкция реверсивного ВМВД с параметрами: u = 1, λmax = π / 3 = 60°, М3st = 1600 Нм. Диапазон передаточного отношения (2) равен i = 0 … 0,33. Реверс осуществляется реверсированием ОМ.

Рис. 8. Конструкция ВМВД с Mst3 = 1,6 кНм

Вариатор содержит в корпусе 1 входной 2 и выходной 3 валы, установленные перпендикулярно пару выпрямителей 15 с КВ 14 и выходными шестернями 16. Смонтированные на цапфах 7 входного вала пару пространственных кулачков 6 с возможностью поворота на угол 0 … 30° от РУ 9 посредством пальца 8 и ползуна 12 (10 – гайка, 11 – винт). На КВ закреплены двухплечевые коромысла 13 с роликами, контактирующими с кулачками. Шестерни 16 сцеплены с колёсами валов 4 конического дифференциала, водило 17 которого посажено на шлицы выходного вала (5 – сателлиты). 18 – маслоподводящая муфта, предназначенная для смазки осей роликов и включения устройства реверса ОМ.

Вариатор действует следующим образом. На рис. 8 он показан при «стоп-режиме», при котором передача вращения на вал 3 не передаётся. На работающем вариаторе при повороте РУ кулачки отклоняются и передают посредством коромысел колебательные вращения КВ-м, скорости которых выпрямляются выпрямителями, и через шестерни 16 с помощью дифференциала осуществляется вращение выходного вала.

По аналогичной схеме (рис. 8) сконструирован и изготовлен опытный ВМВ с М3st = 200 Нм, показанный на фото. В конструкции использованы оригинальные зубчатые обгонные муфты, обеспечивающие работу ВМВ при частоте вращения входного вала n = 6000 об/мин, с КПД зубчатой передачи.

Высокомоментный вариатор

На следующем снимке изображён узел, состоящий из двух обгонных муфт, закреплённых на полуоси дифференциала.

Импульсный выпрямитель типа В2

На рис. 9 дана схема установки вариаторов на зерноуборочном комбайне, для которого автором спроектированы два вариатора: импульсный ВМВ2 [3] с торсионом в качестве упругой муфты на 120 кВт и ВМВД на 30 кВт с раздвижными пространственными кулачками [7], при этом колёсный дифференциал встроен в дифференциал вариатора [10].

Рис. 9. Схема вариаторного привода зерноуборочного комбайна

1 – корпус комбайна; 2 – полуоси; 3 – ведущие колёса;
4 – бортовые редукторы; 5 – тормоза

Схема вариаторного привода автомобиля показана на рис. 10 [11], который, кроме реверсивного ВМВД, снабжён коробкой передач. Это связано с тем, что из-за обгонного характера работы выходного вала, вариатор не обеспечивает режим торможения двигателем. Для этого режима вариатор отключается, а передача вращения осуществляется через коробку передач, которую можно использовать также при движении в стационарном скоростном режиме.

Рис. 10. Схема вариаторного привода автомобиля

КП – коробка передач; РКП – рукоятка КП;
7 и 8 – ведущий и ведомый валы КП;
12 и 13 – фрикционные муфты с рукоятками 14, 15;
6 – входной вал ВМВ

На рис. 11 дана схема вариаторного привода гусеничного трактора, где каждая ведущая звёздочка снабжена реверсивным ВМВД. Это позволяет существенно упростить трансмиссию и повысить манёвренность.

Рис. 11. Схема вариаторного привода гусеничного трактора

Оценим экономическую эффективность ДВС с ВМВ, используя изложенные в [8 и 9] методики.

Получено, что в тестовом динамическом режиме, который состоит в раскручивании маховика из неподвижного положения до скорости, соответствующей максимальной мощности ДВС, установочная максимальная мощность двигателя с ВМВ более, чем в три раза меньше, в сравнении с ДВС, связанного с маховиком фрикционной муфтой (ФМ). Это объясняется хорошими тягово-динамическими характеристиками МА с ВМВ и наличием у него стопового момента.

Используя в качестве оценки эффективности МА его КПД

ηмаш = Амаш / (GтHи)

маш – полезная работа машины; Gт – масса использованного топлива; Hи – низшая теплота сгорания топлива), определена относительная топливная экономичность (ТЭ)

Этоп = (ηv - ηмаш) / ηv = (Gт - G) / Gт ,

где ηv = ηмаш для ДВС с ВМВД , G и Gт – масса топлива, затраченного ДВС с ВМВ и других МА.

Значения Этоп представлены гистограммой на рис. 12.

Для динамического режима использован тестовый режим раскручивания маховика из неподвижного положения. Конец раскрутки соответствует скорости ДВС, при которой индикаторный КПД двигателя максимальный. Механический КПД вариатора в расчётах принят равным ηВМВ = 0,85.

Из гистограмм видно, что ДВС с ВМВ экономичнее при динамическом режиме всех МА на 50 … 30%. Примерно равная экономичность при статическом режиме на максимальной скорости ДВС.

Следует отметить, что вариатор позволяет поддерживать работу ДВС в оптимальном режиме: по топливной экономичности, максимальному моменту или мощности, а также минимальной токсичности отработавших газов, что можно осуществить автоматическим регулированием.

В случае, когда нет высоких требований к равномерности вращения выходного вала вариатора, можно в конструкции ВМВД использовать некулачковые КМ [3, 13 – 15], при этом δ ≈ 0,2 [12]. Такая конструкция проще, дешевле и компактнее, чем с кулачковыми КМ.

Наиболее перспективно использовать ВМВ при динамических режимах работы: внедорожный и городской транспорт, технологическое оборудование, строительная и сельскохозяйственная техника.

Список литературы

  1. А. А. Благонравов. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. – М.: Машиностроение, 1977 – с. 143.
  2. Б. В. Пылаев. Основы динамики высокомоментных вариаторов. // Вестник машиностроения. 2004. № 7 – с. 16 – 22.
  3. Патент РФ № 2207463, F 16 H 23/04, F 16 G 1/05. Механизм с качающейся шайбой. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 06.03.2001.
  4. Заявка на патент ФРГ No 3309044, F16 H 29/08. Stufenlos regelbares, mechanisches Schaltwerksgetribe/ Anmelder: Rindfleisch B. – Anmeldetag: 14.03.1983.
  5. Патент РФ № 2169870, F 16 H 29/08. Высокомоментный вариатор. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 14.05.99.
  6. Патент РФ № 2212574, F 16 H 29/08. Высокомоментный вариатор. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 19.11.01.
  7. Патент РФ № 2242654, F 16 H 29/08. Высокомоментный вариатор. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 20.01.03.
  8. Б. В. Пылаев. Сравнительная оценка максимальной мощности компрессорно-поршневого двигателя. // Тракторы и с.-х. машины. 1999. № 10 – с. 18 – 20.
  9. Б. В. Пылаев. Топливная экономичность компрессорно-поршневого двигателя. // Тракторы и с.-х. машины. 1999. № 8 – с. 13 – 16.
  10. Патент РФ № 2158205, B 60 K 17/346. Вариатор для привода полуосей автомобиля. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 24.02.1999.
  11. Патент РФ № 2205110, B 60 K 17/346. Вариаторный привод мобильной машины. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 10.01.2002.
  12. Б. В. Пылаев. Высокомоментные вариаторы нефрикционного типа: Научное издание - М.: МГАУ им. В. П. Горячкина. 2000 – с. 60.
  13. Патент РФ № 2250400, F 16 H 29/08. Колебательный механизм нефрикционного вариатора. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 06.10.03.
  14. Патент РФ № 2263840, F 16 H 29/08. Колебательный механизм высокомоментного вариатора. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 06.10.03.
  15. Патент РФ № 2263240, F 16 H 29/08. Колебательный механизм для высокомоментного вариатора. / Автор: Б. В. Пылаев. – Приор.: 20.01.03.


2007, Zaritskiy