Трансмиссии с торовыми вариаторами

Торовый вариатор был изобретен Чарльзом В. Хантом (США) и запатентован им 27 ноября 1877 г. С тех пор был разработан ряд трансмиссий на основе этого вариатора. Почти все эти трансмиссии были выпущены в небольшом количестве (например, в 1930 г. фирмой Austin было произведено и продано 600 автомобилей York с торовым вариатором Austin-Hayes,  (рис. 5.11.), а некоторые не пошли в производство вообще.

В конце 1940-х гг. английский конструктор Форбс Перри разработал на основе трансмиссии Austin-Hayes новую конструкцию, которая получила название Perbury. Впоследствии усовершенствованием этой трансмиссии занималась фирма Leyland (Великобритания). В настоящее время правопреемница Leyland – компания Torotrak готовит к производству свою коробку передач, основанную на конструкции Perbury. Необходимо добавить, что передача Перри нашла применение в авиатехнике: в течение нескольких лет Perbury успешно использовалась в составе генератора переменного тока на истребителе HarrierJump-jet.

Рис.5.11. Трансмиссия с торовымвариатормAustin-Hayes

В СССР исследованиями торовых передач занимался ряд институтов: ЦНИТМАШ, ЭНИМС, НАМИ, Академия им. Жуковского, ВНИИМЕТМАШ. Эти институты разрабатывали вариаторы для бесступенчатых редукторов, используемых в приводе промышленных машин и станков.

Единственным примером трансмиссии с торовой передачей, которая устанавливалась на массовые модели автомобилей, является NissanExtroid (см. рис.5.12.). Она была разработана японской компанией NSK в 1999г., а выпускалась фирмой Jatco.До настоящего времени торовые вариаторы не получили широкого распространения в автомобильных трансмиссиях. Но это не говорит о том, что их конструкция неудачна. Напротив, они отличаются от передач с гибкой связью боле высоким КПД и значительной нагрузочной способностью. Препятствием для распространения торовых вариаторов до последнего времени был недостаточный уровень технологии. Но с появлением фрикционных масел и развитием электроники многие проблемы, свойственные этим передачам были решены. И возможно в ближайшее время они начнут появляться в автомобилях серийного производства.

Рис. 5.12. Трансмиссия NissanExtroid

Торовые вариаторы бывают двух типов: с диаметральным расположением роликов (рис. 5.13а) и с хордальным расположением роликов (рис. 5.13б). Принцип работы их одинаков: к ведомой чашке приложен нагружающий момент (например, она связана через карданный вал и главную передачу с ведущими колесами автомобиля). Крутящий момент двигателя подводится на ведущую чашку вариатора. Если чашки и ролики прижаты друг к другу в осевом направлении, то в контактах между ними возникают касательные силы (они перпендикулярны плоскости рисунка). На ведущей чашке эти силы пытаются вращать ролики вокруг их осей, а на ведомой касательные силы сопротивления препятствуют вращению роликов. Таким образом вариатор передает крутящий момент. Передаточное отношение вариатора определяется отношением радиусов качения ролика на ведомой и ведущей чашке: . Соответственно, для изменения этого отношения необходимо поворачивать ролики на угол (рис. 5.13 б). Конструкция АБКП с торовым вариатором фирмы ZFпоказана на рис. 5.14.

Рис.5.13. Схемы торовых вариаторов: диаметрального (а) и хордального (б) типов

Рис. 5.14. Конструкция АБКП с торовым вариатором фирмы ZF

Вопросы по теме лекции:

1. Требования бесступенчатых передач по сравнению с традиционными передачами. Две группы бесступенчатых передач.

2. Бесступенчатые трансмиссии VDT. Требования к передающему момент элементу.

3. Бесступенчатые трансмиссии с цепью. Требования к передающему момент элементу.

4. КПД бесступенчатых передач с цепью PIV и VDT.

5. Принцип действия торового вариатора.

ЛЕКЦИЯ 6. Тема:История создания и производства отечественных автоматических коробок передач В СССР первая гидромуфта была создана в 1929 г. А.П. Кудрявцевым, первый гидротрансформатор - в 1932-1934 гг. в МВТУ им. Н.Э. Баумана. Основоположником отечественных гидродинамических передач является А.П. Кудрявцев (он называл их "гидравлические турбопередачи"). А.П. Кудрявцев занимался всеми вопросами, связанными с проектированием, испытаниями и постройкой гидропередач. Много внимания уделял созданию методов расчета гидротрансформаторов и гидромуфт, выпустил несколько книг. БЮРО ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕДУКТОРОВ (Ленинград) В начале 30-х годов в Ленинграде было создано Бюро Гидравлических Редукторов, разрабатывавшее гидродинамические передачи для различных машин. В 1935 г. оно разработало для ЗИЛа (тогда ЗИС - автозавод им. И.В. Сталина) два варианта автомобильной гидропередачи (видимо, для автобуса на базе автомобиля ЗИС-5). В первом варианте (рис.6.1) был применен двухступенчатый четырехколесный гидротрансформатор типа Лисхольм-Смит (насос, первая ступень турбины, реактор, вторая ступень турбины). Рис. 6.1. ГМП для автобуса на базе автомобиля ЗИС-5 с двухступенчатым четырехколесным гидротрансформатором   Во втором варианте (рис.6.2) использовался трехступенчатый шестиколесный гидротрансформатор Лисхольм-Смит (насос, первая ступень турбины, первый реактор, вторая ступень турбины, второй реактор, третья ступень турбины). Механическая часть обоих вариантов содержала одну передачу "вперед" и задний ход, т.е. предполагался разгон только на гидротрансформаторе, после чего следовало переключение на механическую прямую передачу. Рис. 6.2. ГМП для автобуса на базе автомобиля ЗИС-5 со сцеплением и гидротрансформатором   Через двухдисковое сцепление приводится насосное колесо ГДТ. На режиме гидротрансформатора крутящий момент передается с турбинного колеса на входной вал механической части ГМП и далее через зубчатую муфту (на рис.6.2 она выключена) на выходной вал ГМП. При достижении автобусом определенной скорости переводится влево шлицевая втулка с торцовыми зубьями, сидящая на входном валу механической части ГМП. Втулка входит в зацепление с зубьями на ступице насосного колеса - осуществляется переход на прямую механическую передачу. При этом насосное и турбинное колеса ГДТ начинают вращаться с числом оборотов двигателя. Одновременно расклиниваются муфты свободного хода, на которых сидят реакторы, и реакторы начинают свободно вращаться вместе с другими колесами ГДТ, что позволяет избежать потерь на перемешивание рабочей жидкости. Сведений о реализации этого проекта нет. АВТОЗАВОД ИМ. И.А.ЛИХАЧЕВА (ЗИЛ) (до 1956 г. - ЗИС) Работы по гидропередачам на заводе велись применительно ко всем типам выпускаемых заводом автомобилей - автобусам, легковым автомобилям, грузовым и специальным автомобилям. ЗИЛ - работы по автобусным ГМП В конце Великой Отечественной войны и в первые послевоенные годы в СССР осуществлялся перевод промышленности, работавшей на военные нужды, на выпуск мирной продукции. Прорабатывались различные варианты. Расчеты показали, в частности, что если принять стоимость автомобиля при производстве его на автомобильном заводе за 1, то стоимость этого автомобиля составит 2,5 при производстве на авиационном заводе и 1,8 при производстве на предприятии артиллерийского ведомства.Производство автобусов после войны возобновилось на ЗИЛе, который стал выпускать автобус ЗИС-154 с двигателем ЯАЗ-204 и электропередачей (автомобильный двигатель вращал генератор постоянного тока, вырабатываемый ток использовался для вращения колес автобуса тяговым электродвигателем). Автобус ЗИС-154 с тяжелой и дорогой электрической трансмиссией не мог стать необходимым стране массовым автобусом. Такую роль мог выполнить только автобус, в котором широко применялись бы узлы и детали массового грузового автомобиля. Таким автобусом стал автобус ЗИЛ-155. Гидромеханическую передачу для него (рис.6.3) спроектировали в 1951 г. Рис.6.3. ГМП автобуса ЗИЛ-155 Следует обратить внимание на принципиальную разницу в схеме передачи мощности в конструкциях по рис.6.2 и рис.6.3. В ГМП по рис.6.2 имеется одно двухдисковое сцепление и переключение с ГДТ на прямую передачу осуществляется зубчатой муфтой. В ГМП по рис.6.3 имеется два однодисковых сцепления и переключение с ГДТ на прямую передачу осуществляется переходом с одного сцепления на другое. Муфта свободного хода, предотвращающая вращение колес ГДТ после перехода на прямую передачу, расположена в середине механической части ГМП. Такая конструкция проще и надежнее конструкции с расположением на муфтах свободного хода реакторов ГДТ.В процессе отработки конструкции были спроектированы и испытаны ГМП с ГДТ двух размеров - с максимальными диаметрами рабочей полости 325 и 370 мм. В результате дорожных испытаний, предпочтение было отдано диаметру 370 мм. В ходе испытаний в механическую часть ГМП кроме прямой передачи была введена дополнительная понижающая передача. Она включалась вручную только перед прохождением особо трудных участков местности.После основательных испытаний первых образцов была построена опытная партия из 6 автобусов ЗИЛ-155 с ГМП. Эти автобусы проходили опытную эксплуатацию в различных городах на различных маршрутах, в различных климатических зонах. Пробеги достигали 50...70 тысяч км. Были уже все основания для рекомендации ГМП в производство, но неожиданно на уровне руководства страны было принято губительное для советского автобусостроения решение, что автобусы для всех стран социалистического лагеря будет делать Венгрия. После этого решения (в 1959г.) производство автобусов на ЗИЛе было прекращено. Прекратились, естественно, и работы по ГМП для автобусов. В последние годы перед снятием с ЗИЛа производства автобусов возникали проекты вариантов автобусов с задним поперечным расположением двигателя. Это сулило автобусам большие компоновочные преимущества (низкая высота пола и т.д.). Для такого варианта автобуса была разработана, построена и испытана специальная ГМП (рис.6.4). Работы по этой ГМП также были прекращены в связи с прекращением производства автобусов. Рис.6.4. ГМП для вариантов автобусов с задним поперечным расположением двигателя ЗИЛ - работы по ГМП легковых автомобилей На примере работ, проводимых на ЗИЛе, по созданию ГМП легковых автомобилей, прослеживается эволюция в разработке конструкций ГМП. Эти тенденции были характерны и для зарубежного автомобилестроения. Первые работы по ГМП для легковых автомобилей ЗИЛ начались в 1949г. Тогда была спроектирована экспериментальная ГМП Э111 автомобиля ЗИС-110. Передача состояла из одноступенчатого пятиколесного ГДТ и двухступенчатой планетарной коробки передач с гидравлическим управлением. Основной передачей в коробке передач была прямая, понижающая передача предназначалась только для особо тяжелых условий движения и включалась вручную (могла включаться на ходу). Прототипом для ГМП Э111 послужила ГМП "Дайнафлоу" автомобиля. Однако, работы по этой ГМП развития не получили в связи с появлением ГМП с автоматическим переключением передач. В 1953-54 гг. в связи с предстоящим началом производства легковых автомобилей ЗИЛ-111 за прототип ГМП была взята ГМП подходящего ЗИЛу по классу легкового автомобиля Крайслер выпуска 1953 г. ГМП ЗИЛ-111 была спроектирована весьма близкой к прототипу (точного заимствования не было), несмотря на ощутимую разницу в параметрах автомобилей Крайслер и ЗИЛ (в первую очередь по весу). Основные функциональные узлы ГМП ЗИЛ-111: ГДТ, двухступенчатая планетарная коробка передач, гидравлическая система управления (рис.6.5 и 6.6). Конфигурация лопастной системы, определяющая характеристику ГДТ, была взята точно по ГДТ Крайслер, но размер ГДТ был изменен (при полном сохранении типа лопастной системы) с учетом того, что крутящий момент двигателя ЗИЛ-111 предполагался примерно на 15% большим, чем у двигателя Крайслер.  Рис.6.5. ГМП ЗИЛ-111 (расположение характерных узлов) Рис.6.6. ГМП ЗИЛ-111 (система питания и управления)     В дальнейшем конструкция ГДТ была упрощена и улучшена. При сохранении прежних преобразующей и нагрузочно-кинематической характеристик далось применить один реактор вместо двух (при этом колеса насоса и турбины остались без изменений). ГДТ, получивший номер 114-1709010, был сделан цельносварным, что уменьшило его размеры, вес и момент инерции деталей, связанных с двигателем (рис.6.7 и 6.8). Уменьшение момента инерции положительно сказывается на динамике разгона автомобиля и на улучшении плавности переключений передач. При переходе с двухступенчатой ГМП на трехступенчатую, сопровождавшемся увеличением мощности двигателя, было признано целесообразным иметь вариант с уменьшенным с 2,45 до 2,0 максимальным коэффициентом трансформации. Такой ГДТ 114-1709010Д был создан за счет изменения конфигурации лопаток насосного колеса и реактора. Его максимальный КПД при этом увеличился на 1...2 %. Он являлся штатным оборудованием автомобиля ЗИЛ-41047 (в продольном разрезе этот ГДТ не отличается от ГДТ ЗИЛ-114 (рис.6.8). Механическая часть ГМП ЗИЛ-111 имела передаточные числа 1,72; 1,00; З.Х.-2,39. Управление ГМП осуществлялось тросом с помощью кнопок на панели управления.   Рис. 6.7.Гидротрансформатор ЗИЛ-111 Рис.6.8.Гидротрансформатор ЗИЛ-114   ГМП ЗИЛ-111 была штатным оборудованием легковых автомобилей ЗИЛ-111 с самого начала их производства в 1957 г. В процессе доводочных испытаний и в процессе производства этой ГМП до последних дней ее выпуска в апреле 1975 г. было реализовано много мероприятий по повышению надежности ГМП, увеличению долговечности, улучшению качества переключений передач. Было разработано и внедрено новое масло для ГМП (масло А - доныне применяемое). Вместе с тем, при эксплуатации выявились некоторые недостатки двухступенчатой ГМП, которые не могли быть устранены совершенствованием конструкции ГМП и технологии ее изготовления. К числу их относились: · шум шестерен на "нейтрали", вызванный их вращением на этом режиме, чего можно избежать при другой схеме планетарного механизма; · низкий КПД ГМП на понижающей передаче вследствие циркуляции мощности в планетарном механизме, чего также можно избежать; · невозможность при передаточном числе первой передачи 1,72 реализовать силу тяги, которую можно было бы иметь, исходя из сцепного веса автомобиля; · невозможность двигаться на понижающей передаче при передаточном числе 1,72 со скоростью более 105 км/ч, что затрудняет обгон транспортных средств, движущихся со скоростью 100-120 км/ч. Первые два недостатка могут быть устранены изменением схемы планетарного механизма. Для третьего необходимо увеличение передаточного числа первой передачи. Для четвертого - наличие передачи, передаточное число которой ближе к передаточному числу последней передачи (прямая). Поэтому завод остановился на схеме трехступенчатой ГМП с передаточными числами 2,02; 1,42; 1,00; З.Х.-1,42. Планетарный механизм был выполнен по оригинальной схеме, защищенной авторским свидетельством. В результате ГМП ЗИЛ стала патентно-чистой. Значение передаточного числа заднего хода оказалось невысоким вынужденно - это неизбежная особенность принятой схемы планетарного механизма. Работы по этой трехступенчатой ГМП ЗИЛ-114Д начались в 1966 г. Было построено несколько партий опытных ГМП, проведены интенсивные испытания, в том числе дорожные с пробегами до 100 тыс.км. Выпуск ГМП ЗИЛ-114Д начался в апреле 1975 г. При переходе завода от автомобиля ЗИЛ-114 к автомобилю ЗИЛ-115 (4104), имеющему более мощный двигатель и несколько большую массу, ГМП 4104 была модернизирована. В нее был внесен ряд изменений, в том числе: · применена новая конструкция муфты свободного хода с увеличенным числом роликов (12 вместо 8); · изменена схема управления планетарным механизмом, что позволило уменьшить частоты вращения корпусных деталей сцепления и повысить за счет этого надежность системы управления ГМП; · усилено второе сцепление за счет увеличения площади нажимного поршня; · в гидравлическую систему управления ГМП введен клапан-распределитель, изменены хода поршней гидроаккумуляторов и жесткость их пружин, что в целом улучшило работу системы. Развитием конструкции ГМП 4104 стала ГМП 4105 (рис.6.9), которая была поставлена на производство в 1982 г. В ней нет заднего насоса, существенно упрощен (при одновременном повышении надежности) привод механизма блокировки, введен один дополнительный возможный диапазон движения автомобиля. Прежде для движения вперед водитель мог включить положение "Д", при котором осуществлялся переход по передачам 1-2-3, или включить положение "2", при котором в зависимости от скорости автомобиля и положения дроссельной заслонки двигателя была включена или 1 или 2 передача. При переходе к ГМП 4105 в систему управления был добавлен диапазон "1", при котором возможна работа только на первой передаче - это создает определенные удобства при движении в особо тяжелых условиях и в горной местности. На диапазоне "2" при этом стал осуществляться автоматический переход 1-2. Рис. 6.9. ГМП ЗИЛ-4105   ГОРЬКОВСКИЙ АВТОЗАВОД (ГАЗ) Начало работам по гидравлическим передачам на ГАЗе было положено оборудованием механической коробки передач автомобиля ЗИМ гидравлической муфтой. Такой комплект никак не может считаться автоматической коробкой передач, но он послужил наглядным примером преимуществ, доставляемых введением в трансмиссию гидравлического элемента, и послужил толчком к работам по автоматическим трансмиссиям - гидромеханическим передачам. Такими передачами стали оборудоваться автомобили ГАЗ-13 "Чайка". Применялись они и на некоторых модификациях автомобилей "Волга". За прототип ГМП была взята трехступенчатая ГМП, применявшаяся на автомобилях корпорации "Форд". Активный диаметр ГДТ (рис.6.10) равен 340 мм, максимальный коэффициент трансформации К0=2,4. Передаточные числа планетарной коробки передач: первая передача - 2,84; вторая - 1,68; третья - 1,00; задний ход - 1,75. Продольный и поперечный разрезы механической части ГМП приведены на рис.6.11. Рис. 6.10. Гидротрансформатор ГМП автомобиля "Чайка"       Рис. 6.11. Продольный разрез ГМП автомобиля "Чайка"   ЛЬВОВСКИЙ АВТОБУСНЫЙ ЗАВОД - НАМИ (ЛАЗ - НАМИ) С 1963 г. Львовскийй автобусный завод (ЛАЗ) начал выпускать спроектированную совместно с институтом НАМИ гидромеханическую передачу ЛАЗ-НАМИ-035. Эта ГМП была рассчитана для работы с карбюраторным двигателем мощностью 150-200 л.с. и крутящим моментом 40-50 кГм. С этой ГМП были выпущены десятки тысяч автобусов ЛиАЗ-677. В ГМП (схема на рис.6.12) применен удачно спроектированный в НАМИ ГДТ, послуживший прототипом для многих ГДТ в других ГМП. В ГМП ЛАЗ-НАМИ-035 использовался ГДТ с максимальным коэффициентом трансформации К0=3.2. ГМП ЛАЗ-НАМИ-035 - двухступенчатая. Передаточное число первой передачи - 1,79; второй передачи - 1,00; заднего хода - 1,71. ГДТ может блокироваться. Конструкция ГМП показана на рис.6.13. Конструкция ГМП ЛАЗ-НАМИ-035 послужила базой для ряда модификаций ГМП, в том числе для автобусов с дизельными двигателями.     Рис. 6.12. Схема гидромеханической передачи ЛАЗ-НАМИ-035 Рис. 6.13.Гидромеханическая передача ЛАЗ-НАМИ-035   Впервые в практике отечественного автостроения отечественная конструкция послужила прототипом для зарубежной ГМП. НАМИ совместно с научно-исследовательским институтом автомобилей УВМВ (ЧССР) и заводом "Прага" (ЧССР) разработали гидромеханическую передачу НАМИ-"Прага" 2М-70 для гордских автобусов большой вместимости, снабженных дизельным двигателем мощностью 180-200 л.с. при 2100 1/мин с крутящим моментом 70-80 кГм. Эта ГМП (рис.6.14 и 6.15) выпускалась заводом "Прага" с 1967 г. Рис. 6.14. Схема гидромеханической передачи "НАМИ-Прага"2М-70 Рис. 6.15. Гидромеханическая передача "НАМИ-Прага"2М-70   БЕЛОРУССКИЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ЗАВОДЫ В Белоруссии автомобили с ГМП выпускают Минский автомобильный завод (МАЗ), Белорусский автомобильный завод (БелАЗ) и Могилевский автомобильный завод (МоАЗ). Наиболее известны первые два зовода. ГМП МАЗ-530 для автомобиля-самосвала особо большой грузоподъемности (до 45 тонн) рассчитана для работы с двигателем мощностью 450 л.с. с максимальным крутящим моментом 200 кГм. В ГМП имеется повышающий редуктор, позволяющий сдвинуть характеристику двигателя по оборотам для лучшего совмещения ее с характеристикой ГДТ. Активный диаметр круга циркуляции ГДТ равен 466 мм, максимальный коэффициент транформации К0=4. ГМП МАЗ-530 (рис.6.16) имеет три передачи переднего хода (3,36; 1,83; 1,00) и две передачи заднего хода (2,60 и 1,40). Рис. 6.16.Гидромеханическая передача МАЗ-530 ГМП БелАЗ-540 (рис.6.17) также предназначена для автомобилей-самосвалов большой грузоподъемности. Она имеет ускоряющий редуктор, ГДТ с активным диаметром круга циркуляции 466 мм и максимальным коэффициентом трансформации К0=3,6 и редуктор с тремя передачами вперед (передаточные числа 2,6; 1,43; 0,7) и одну передачу заднего хода (передаточное число 1,6). Рис. 6.17.Гидромеханическая передача БелАЗ-540 КАЗАНСКОЕ МОТОРОСТРОИТЕЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ (АО КМПО) В связи с проведенной в 90-х годах модернизацией отечественного автобустроения, потребовалось  организовать производство современных ГМП для городских автобусов. Такое производство было организовано в АО «КМПО» (г. Казань) по лицензии фирмы VOITH. За основу принята освоенная этой фирмой система DIWA. Особенностью этой системы является разветвление потока мощности на две части - одна идет через механическую часть трансмиссии, другая - через гидравлическую. Трогание с места осуществляется только через гиравлическую часть, а по мере набирания скорости гидравлическая доля постоянно уменьшается и увеличивается доля механической части. Осуществляется это с помощью расположения ГДТ между двумя планетарными редукторами (рис.6.18). В первом редукторе поток мощности разделяется, во втором - объединяется. Имеются варианты трех- и четырехступенчатых ГМП для двигателей мощностью 185-245 квт с крутящими моментами 90-130 кГм.

Рис. 6.18. Гидромеханическая передача фирмы VOITH

(выпускается АО КМПО г. Казань)

Вопросы по теме лекции:

1. Основное отличие конструкций первых ГМП от современных (по числу колес гидротрансформатора, по количеству ступеней).

2. Работы конструкторов завода ЗИЛ по ГМП для автобусов, грузовых и легковых автомобилей.

3. Работы конструкторов завода ГАЗ по ГМП легковых автомобилей.

4. Конструкции ГМП, разработанные в институте НАМИ для автобусов.

5. Особенности ГМП, выпускаемой АО КМПО для автобусов.

ЛЕКЦИЯ 7. Тема:Компоненты автоматического управления полноприводными трансмиссиями

Таблица 7.1.