Без сцепления, без КПП и не «гибрид»!
02.06.2012, 17:09
Многоступенчатые коробки передач, механические вариаторы, электропривод и гибридная схема... Сколько вариантов придумали инженеры в поисках самой эффективной, самой удобной для водителя трансмиссии! Но совершенная схема всё не находится; может быть, её и нет в природе? Или всё-таки есть?
Очень часто во всевозможных технических устройствах при передаче энергии от двигателя к исполнительным органам необходим посредник - механизм изменения передаточного числа (ПЧ).
Возьмём, скажем, автомобиль. Что было бы, если бы мы были вынуждены ограничиться каким-то одним значением передаточного числа? Если бы мы приняли ПЧ для максимальной скорости, то не смогли бы тронуть автомобиль с места, и понадобился бы заказ и вызов такси по телефону. А если ПЧ будет соответствовать минимальной скорости, то автомобиль легко тронется, но скорость его так и останется минимальной. В обоих случаях разговор о КПД можно даже не начинать... Очевидно, что для каждой дайной скорости и нагрузки автомобиля необходима определённая величина ПЧ. Эту роль в течение десятилетий играла механическая коробка перемены передач (МКПП), способная предоставлять не-
сколько фиксированных величии ПЧ. Она придумана задолго до появления автомобиля, и до сравнительно недавнего времени ей не было достойной замены. Но это не очень огорчало: недостатки МКПП были переносимы, пока на дорогах было просторно. Они вполне компенсировались её достоинствами: простотой и не ограниченной конструкцией передаваемой мощностью.
По сегодня мы живём в мире многокилометровых пробок. Бесчисленные перегазовки, выжимания сцепления, перестановки рычага переключения скоростей, езда «на сцеплении»... В виде якобы спасения от этого кошмара была предложена автоматическая коробка - АКПП (рис. 1). По и она далеко не идеал. При кратковременной стоянке гидравлическое сцепление АКПП полностью не выключается, потребляя значительное количество энергии. При начале движения
после остановки АКПП принимается энергично разгонять автомобиль, и зачастую тут же приходится нажимать на тормоз. При сбрасывании газа АКПП, как правило, быстро понижает ПЧ -автомобиль получает толчок вперёд перед нажатием на тормоз. При резком нажатии на газ для быстрого разгона АКПП вынуждена, вопреки здравой логике, сбросить газ, затем выключить действующее ПЧ, включить повышенное ПЧ и потом опять увеличить газ. Всё это не только раздражает водителя (особенно того, кто только что ездил с МКПП), но и увеличивает расход топлива.
К тому же АКПП имеют меньший ресурс и большую по сравнению с МКПП стоимость.
Кроме всего прочего, когда автомобиль стоит с работающим двигателем, или когда он разгоняется после остановки, требуется ПЧ, равное абсолютному максимуму. Такого в МКПП и АКПП нет, поэтому применяется нейтральная передача и механизм сцепления. КПД этого механизма близок к нулю. Почти вся энергия расходуется на нагрев дисков или трансмиссионного масла, если сцепление гидравлическое. И причина всех этих недостатков - малое число фиксированных передаточных чисел.
Устройство, ликвидирующее указанные недостатки МКПП и АКПП, должно быть вариатором, то есть механизмом, плавно изменяющим передаточное число при передаче энергии. Причём в идеале диапазон изменения должен начинаться с абсолютного максимума, когда ДВС работает, а автомобиль стоит, и заканчиваться небольшой величиной, нужной тогда, когда двигатель работает на минимальных рабочих оборотах, а скорость автомобиля максимальна. Давайте вспомним и о новинке последних лет - гибридном автомобиле. Его придумали для значительного увеличения времени использования ДВС при максимальном КПД. И действительно, «гибриды» расходуют меньше топлива, чем сравнимая по классу механическая и автоматическая «классика». Но... По если мы хотим использовать горючее как можно эффективнее, то гибриду гоже нужен вариатор, потому что, для какой бы функции в каждый данный момент ни работал в гибриде ДВС, нагрузка на него всегда переменная. А главное - ведь и электродвигатель имеет свою кривую изменения КПД в зависимости от нагрузки, и па этой кривой тоже есть максимум... К настоящему времени вариаторов придумано множество, однако лишь немногие из них имеют рабочий диапазон величин передаточных чисел от абсолютного максимума до необходимого минимума. Но как раз они неприменимы в средствах передвижения, включая маломощные мопеды, потому что для «полнодиапазонных» вариаторов характерны весьма ограниченная передаваемая мощность, низкий КПД и невысокий ресурс. Ожидание вариатора, сочетающего необходимый диапазон ПЧ с отсутствием ограничений по мощности, перевалило вековой рубеж... И вот проблема решена. Её решение - гидравлический вариатор, патент 2404386 RU. Гидравлический вариатор, естественно, подразумевает гидропривод колёс. ДВС вращает вал гидронасоса, насос всасывает жидкость из резервуара и под давлением подаёт эту жидкость в магистраль. За счёт давления в магистрали вращается вал гидромотора (или валы гидромоторов), от которого вращение передаётся на колёса. По схема «гидронасос-гидромотор» в своём основном варианте не даёт изменения передаточного числа: быстрее вращается вал насоса - настолько же быстрее вращается вал мотора. Увеличение нагрузки на валу гидромотора приведёт к росту давления в магистрали, что передастся па ДВС в виде «требования» большего крутящего момента. И тогда - или упадёт число оборотов, или надо «жать на газ». Но ПЧ останется таким же, как было -единственным, какое может быть в данной конкретной гидросистеме.
Если мы хотим менять передаточное число, то надо уметь изменять производительности насоса другим способом: изменяя количество рабочей жидкости, выдаваемой им за один оборот.
Надо сказать, что несколько схем таких вариаторов уже изобретено. Например, предложено менять производительность насоса за счёт смещения относительно друг друга ведомой и ведущей шестернёй насоса вдоль их осей. К сожалению, этот вариант не свободен от недостатков. К главным из них относятся:
- невозможно получить нулевую производительность насоса, то есть мы не освобождаемся от необходимости иметь в составе трансмиссии механизм сцепления;
- «обратная зависимость» передаваемой мощности: как раз в то время, когда нам нужно передавать большой крутящий момент, мы должны уменьшать участвующую в работе долю поверхности шестерён;
- затрачиваемая сила, необходимая для изменения передаточного числа, то есть для сдвига шестерён, прямо пропорциональна передаваемой мощности. Это значит, что при больших мощностях она станет очень велика, и нам опять понадобится сцепление и привычный, ио неоптимальный алгоритм изменения передаточного числа: сбросить газ, выжать сцепление и т.д.
Можно также менять производительность насоса за счёт изменения расстояния между центрами шестерён; по и в этом варианте мы будем иметь те же недостатки, что и в предыдущем, хотя и в несколько ином «внешнем оформлении».
Изобретённое устройство свободно от «пороков» приведённых схем, и именно это позволяет говорить, что проблема бесступенчатой, не нуждающейся в сцеплении трансмиссии для автомобиля теперь решена.
Наш вариатор - это тоже система «гидронасос-гидромотор», и регулирование скорости вращения вала гидромотора происходит в ней тоже за счёт изменения количества жидкости, прокачиваемой насосом за один оборот. В качестве последнего использован шестерёнчатый насос (рис. 2) - механизм простой, надёжный, широко применяющийся. Принцип действия его заключается в следующем. В закрытом герметичном корпусе находятся две постоянно сцеплёиные рабочие шестерни - ведущая (1) и ведомая (3). Межзубчатое пространство заполнено жидкостью. При вращении шестерён в месте выхода зубьев из зацепления образуется вакуум - это область всасывания (4), сюда подводится входная магистраль насоса. В том месте, где зубья входят в зацепление, жидкость вытесняется ими - образуется повышенное давление. Это область нагнетания (2) - выход насоса. Отсюда жидкость через выходную (для насоса) магистраль попадает в гидромотор, заставляя его вал вращаться.
Понятно, что количество жидкости, переправляемой зубьями из области всасывания в область нагнетания за один оборот вала насоса, постоянно. Но это - в насосе; мы же хотим сделать вариатор.
Идея его такова. Если после области всасывания, но перед областью нагнетания, удалять из пространства между зубьев рабочих шестерён жидкость, то в зависимости от количества удалённой жидкости будет меняться производительность насоса. Ведущая шестерня будет вращаться с той же скоростью, но при этом прокачивать меньше жидкости. Соответственно, меньше её попадёт за единицу времени в гидромотор - его вал будет вращаться медленнее! Другими словами, в паре гидронасос-гидромотор будет изменяться передаточное число -что и требовалось доказать. Как же мы будем удалять жидкость из межзубчатого промежутка, точнее, дозировать её? Тоже при помощи шестерён (рис. 3).
Между областями всасывания (6) и нагнетания (2) к каждой рабочей шестерне (1,3) вводим в зацепление по дозирующей шестерне (4). Дозирующие шестерни подвижны и управляемы при помощи привода (5), их приближением или отдалением от рабочих шестерён мы регулируем количество жидкости, удаляемой из межзубчатого пространства.
При максимальном приближении дозирующие шестерни полностью вытесняют жидкость из межзубчатого пространства рабочих шестерён, и она, не доходя до области нагнетания, в полном объёме отводится в область всасывания. Понятно, что при этом жидкость
в гидромотор не поступает; получается аналог нейтральной скорости КПП: ДВС работает, а автомобиль стоит па месте.
Немного отведя дозирующие шестерни от рабочих, получаем минимальную производительность и, соответственно, максимальное передаточное число -режим для трога! шя, разгона, движения в гору и т.п. При максимальном удалении дозирующие шестерни в работе не участвуют, жидкость в полном объёме попадает из области всасывания в область нагнетания и далее, под давлением, в гидромотор. Это - режим с минимальным ПЧ, аналогичный движению на высшей передаче КПП.
Мы получили именно такой вариатор, какой хотели: меняя межцентровое расстояние в каждой из пар шестерён «рабочая-дозирующая», мы плавно регулируем передаточное число от абсолютного максимума, когда производительность насоса равна нулю, до необходимого минимума, когда производительность максимальна. Распределение давлений вокруг дозирующих шестерён практически симметричное, поэтому нагрузка на механизм изменения ПЧ минимальна и, главное, не зависит от передаваемой насосом мощности. Это означает, с одной стороны, что передаваемая мощность не ограничена конструкцией вариатора, а с другой - что при изменении ПЧ не требуется перегазовка. Впрочем, перегазовка не нужна уже потому, что диапазон изменения ПЧ исключает потребность в механизме сцепления. Преимущества, предоставляемые вариатором при установке его на автомобиле, велики и многочисленны. Если гидромоторы установить на ведущие колёса, то пропадает необходимость в карданных валах, дифференциалах, механизмах блокировки колёс и прочих движущихся узлах трансмиссии: все они заменяются неподвижными трубами гидромагистрали с очень небольшим количеством подвижных сочленений и/или гибких шлангов.
Движение задним ходом организуется путём смены направления подачи жидкости в гидромотор - подобно смене полярности в электродвигателе. На машинах с несколькими ведущими осями становится ненужной раздаточная коробка - для отключения одного из мостов достаточно просто прекратить подачу рабочей жидкости на его гидромоторы, закрыв крап подачи и открыв перепускной клапан этого моста. За счёт увеличения подачи рабочей жидкости в действующие гидродвигатели скорость автомобиля автоматически становится выше, что обычно соответствует тем условиям движения, которые сделали возможным отключение моста.
«Бонусы», которые даёт гидропривод вообще и предлагаемый вариатор в частности, можно перечислять ещё долго. Объём статьи не позволяет это сделать: мы закончим её сравнением «гидровариаторного» автомобиля с последним достижением автопрома, нашедшим массовое применение, - с автомобилем гибридным.
Расчёты показывают, что с предлагаемым вариатором время использования ДВС в режиме наибольшего КПД резко возрастает - до величии, больших, чем у гибридного автомобиля. Диапазон скоростей вращения коле! шала при наибольшем КПД становится значительно шире и также больше, чем у гибридного автомобиля. Кроме того, вариатор исключает необходимость располагать запасом мощности для использования в тех случаях, когда передаточное число не оптимально для действующей нагрузки и режима движения.
Резюмируя, делаем вывод: все основные плюсы, обеспечиваемые гибридной схемой, перекрываются при применении нашего гидравлического вариатора. Гибридная схема, с её дополнительным - электрическим — трактом, весьма дорогостоящим и довольно тяжёлым, становится просто ненужной. Тем более, что достоинства «гидровариаторного» автомобиля можно ещё более усилить, введя в контур гидроаккумулятор, жидкостный или воздушный - устройство простое, дешёвое и экологически чистое. Так не настало ли время рабочих чертежей?
Александр МАЛЫЙ, инженер-механик, изобретатель
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам
зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
23.11 15:07
