Бесступенчатая трансмиссия ( CVT ) — это автоматизированная трансмиссия , которая может изменять передаточные числа в непрерывном диапазоне . Это контрастирует с другими трансмиссиями, которые обеспечивают ограниченное количество передаточных чисел с фиксированными ступенями. Гибкость вариатора с подходящим управлением может позволить двигателю работать с постоянной угловой скоростью , в то время как транспортное средство движется с переменной скоростью.
Вариаторы используются в автомобилях, тракторах, мопедах , мотороллерах, снегоходах , велосипедах и землеройной технике . В наиболее распространенном типе вариатора используются два шкива , соединенные ремнем или цепью ; однако иногда использовались и несколько других конструкций.
В наиболее распространенном типе вариатора используется клиновой ремень , который проходит между двумя шкивами переменного диаметра. [1] Шкивы состоят из двух конусообразных половин, которые движутся вместе и раздвигаются. Клиновой ремень проходит между этими двумя половинами, поэтому эффективный диаметр шкива зависит от расстояния между двумя половинами шкива. V-образное поперечное сечение ремня позволяет ему двигаться выше на одном шкиве и ниже на другом; следовательно, передаточное число регулируется путем перемещения двух шкивов одного шкива ближе друг к другу и двух шкивов другого шкива дальше друг от друга. [2]
Поскольку расстояние между шкивами и длина ремня не изменяются, оба шкива необходимо регулировать одновременно (один больше, другой меньше), чтобы поддерживать необходимое натяжение ремня. Простые вариаторы, сочетающие центробежный ведущий шкив с подпружиненным ведомым шкивом, часто используют натяжение ремня для воздействия на соответствующие регулировки ведомого шкива. [2] Клиновой ремень должен быть очень жестким в осевом направлении шкива, чтобы совершать только короткие радиальные движения при скольжении по шкивам и снятию с них.
Радиальная толщина ремня представляет собой компромисс между максимальным передаточным числом и крутящим моментом. Клиновые ремни, армированные сталью, достаточны для маломассивных транспортных средств с низким крутящим моментом, таких как грузовые автомобили и снегоходы, но для применений с более высокой массой и крутящим моментом, таких как автомобили, требуется цепь. Каждый элемент цепи должен иметь конические стороны, которые подходят к шкиву при движении ремня по внешнему радиусу. По мере продвижения цепи на шкивы площадь контакта уменьшается. Поскольку площадь контакта пропорциональна количеству элементов, для цепных ремней требуется много очень мелких элементов.
Конструкция с ременным приводом обеспечивает КПД примерно 88%, [3] который, хотя и ниже, чем у механической коробки передач , может быть компенсирован, позволяя двигателю работать на наиболее эффективных оборотах независимо от скорости автомобиля. Когда мощность важнее экономичности, передаточное число вариатора можно изменить, чтобы позволить двигателю вращаться на тех оборотах , при которых он производит наибольшую мощность.
В цепном вариаторе многочисленные элементы цепи расположены вдоль нескольких наложенных друг на друга стальных лент, каждая из которых достаточно тонка, чтобы ее можно было легко сгибать . Когда часть ремня наматывается на шкив, стороны элементов образуют коническую поверхность. [4] [5] В наборе лент каждая лента соответствует немного разному передаточному числу, поэтому ленты скользят друг по другу и требуют достаточной смазки . На шкивы нанесена дополнительная пленка смазки. Пленка должна быть достаточно толстой, чтобы предотвратить прямой контакт между шкивом и цепью, но достаточно тонкой, чтобы не тратить энергию при входе в нее каждого элемента цепи. [ нужна цитата ]
Некоторые вариаторы передают мощность на выходной шкив за счет натяжения ремня («тянущая» сила), в то время как другие используют сжатие элементов цепи (когда входной шкив «толкает» ремень, который, в свою очередь, толкает выходной шкив). [6] [7] [8]
Цепные приводы с положительной бесступенчатой регулировкой (PIV) отличаются тем, что цепь жестко блокируется с коническими шкивами. Это достигается за счет множества небольших прямоугольных пластин в каждом звене цепи, которые могут независимо скользить из стороны в сторону. Пластины могут быть довольно тонкими, толщиной около миллиметра. Конические шкивы имеют радиальные канавки. Канавка на одной стороне шкива встречается с выступом на другой стороне, поэтому скользящие пластины перемещаются вперед и назад, чтобы соответствовать рисунку, эффективно образуя зубья правильного шага при зажатии между шкивами. Благодаря сцепляющимся поверхностям этот тип привода может передавать значительный крутящий момент и поэтому широко используется в промышленности. Однако максимальная скорость значительно ниже, чем у других вариаторов на базе шкива. Скользящие пластины будут медленно изнашиваться с годами использования. Поэтому пластины изготавливаются длиннее, чем необходимо, что позволяет увеличить износ цепи перед ремонтом или заменой. Требуется постоянная смазка, поэтому корпус обычно частично заполнен маслом. [9] [10]
Тороидальные вариаторы, используемые на Nissan Cedric (Y34) [11] [12] и изготовленные CVTCORP [13] , состоят из ряда дисков и роликов. Диски можно представить как две почти конические части, расположенные точка к точке, с вогнутыми сторонами так, что обе части могут поместиться в центральное отверстие тора . Один диск является входом, а другой — выходом. Между дисками расположены ролики, которые изменяют передаточное число и передают мощность с одной стороны на другую. Когда оси роликов перпендикулярны оси дисков, эффективный диаметр входных и выходных дисков одинаков, что обеспечивает передаточное число 1:1. При других передаточных числах ролики вращаются вдоль поверхностей дисков так, что они соприкасаются с дисками в точках с разными диаметрами, в результате чего передаточное число отличается от 1:1. [14]
Преимуществом тороидального вариатора является способность выдерживать более высокие крутящие нагрузки, чем у вариатора со шкивом. [15] В некоторых тороидальных системах направление тяги может быть изменено на противоположное внутри вариатора, что устраняет необходимость во внешнем устройстве для включения задней передачи. [16]
Вариатор с храповым механизмом использует серию односторонних муфт или храповых механизмов , которые исправляют и суммируют только движение «вперед». Характеристики включения-выключения типичного храпового механизма означают, что многие из этих конструкций не работают непрерывно (т.е. технически это не вариатор), но на практике в работе есть много общего, и вариатор с храповым механизмом способен выдавать нулевую выходную мощность. скорость от любой заданной входной скорости (согласно бесступенчатой трансмиссии). Передаточное число регулируется путем изменения геометрии рычажного механизма внутри качающихся элементов, так что суммарная максимальная скорость рычажного механизма регулируется, даже если средняя скорость рычажного механизма остается постоянной.
Вариаторы с храповым механизмом могут передавать значительный крутящий момент, поскольку их статическое трение фактически увеличивается по сравнению с пропускной способностью крутящего момента, поэтому в правильно спроектированных системах проскальзывание невозможно. КПД обычно высок, поскольку большая часть динамического трения вызвана очень небольшими изменениями скорости переходного сцепления. Недостатком вариаторов с храповым механизмом является вибрация, вызванная последовательным переходом скорости, необходимой для ускорения элемента, который должен вытеснить ранее работающий и замедляющий элемент, передающий мощность.
Принцип конструкции зародился еще до 1930-х годов: первоначальная конструкция предназначалась для преобразования вращательного движения в колебательное движение и обратно во вращательное движение с использованием роликовых муфт. [17] Эта конструкция остается в производстве с 2017 года для использования с тихоходными электродвигателями. [18] Пример прототипа велосипедной трансмиссии был запатентован в 1994 году. [19] Принцип работы конструкции вариатора с храповым механизмом, в котором используется кулисный механизм для преобразования вращательного движения в колебательное движение и некруглые шестерни для достижения равномерного ввода-вывода. соотношение, было запатентовано в 2014 году. [20]
Гидростатический вариатор использует объемный насос с приводом от двигателя для подачи масла под давлением к одному или нескольким гидравлическим двигателям , последний создает крутящий момент, который прикладывается к ведущим колесам транспортного средства. Название «гидростатический вариатор», в котором неправильно используется термин « гидростатический », отличает этот тип трансмиссии от трансмиссии, в конструкции которой используется гидродинамический мультипликатор крутящего момента («трансформатор крутящего момента»).
В гидростатическом вариаторе эффективное «передаточное число» между двигателем и ведущим колесом (колесами) является результатом разницы между рабочим объемом насоса, выраженным в кубических дюймах или кубических сантиметрах на оборот, и рабочим объемом двигателя. В закрытой системе, то есть системе, в которой вся мощность насоса передается на двигатель(и), это соотношение определяется уравнением GR = Dm ÷ Dp , где Dp — эффективный рабочий объем насоса, Dm — объем двигателя, а GR — «передаточное число».
В гидростатическом вариаторе эффективное «передаточное число» варьируется за счет изменения эффективного рабочего объема насоса, который будет изменять объем масла, подаваемого в двигатель (двигатели) при заданной частоте вращения двигателя (об/мин). Этого можно добиться несколькими способами, один из которых заключается в перенаправлении части производительности насоса обратно в резервуар через регулируемый клапан. При такой конструкции, поскольку при открытии клапана отводится больше масла, эффективная производительность насоса уменьшается и в двигатель поступает меньше масла, что приводит к его более медленному вращению. И наоборот, закрытие клапана уменьшит объем отводимого масла, увеличивая эффективную производительность насоса и заставляя двигатель вращаться быстрее.
Другой метод заключается в использовании насоса переменной производительности . Когда насос настроен на малый рабочий объем, он производит небольшой объем потока масла, в результате чего гидравлический двигатель (двигатели) вращается медленнее. По мере увеличения рабочего объема насоса при любой заданной частоте вращения двигателя создается больший объем потока масла, в результате чего двигатель(и) вращается быстрее.
К преимуществам гидростатического вариатора относятся:
К недостаткам гидростатического вариатора относятся:
Гидростатические вариаторы используются в кормоуборочных комбайнах , комбайнах , небольших колесных/гусеничных погрузчиках/погрузчиках с бортовым поворотом , гусеничных тракторах и дорожных катках . В одном сельскохозяйственном примере, произведенном AGCO , мощность распределяется между гидростатической и механической передачей на выходной вал через планетарную передачу в прямом направлении движения (назад передача мощности является полностью гидростатической). Такое расположение снижает нагрузку на гидростатическую часть трансмиссии при движении вперед за счет передачи значительной части крутящего момента через более эффективные фиксированные шестерни. [21]
Вариант, называемый интегрированной гидростатической коробкой передач (IHT), использует один корпус как для гидравлических элементов, так и для элементов редуктора и используется в некоторых мини-тракторах и газонокосилках .
На круизном мотоцикле Honda DN-01 2008–2010 годов использовался гидростатический вариатор в виде аксиально-поршневого насоса переменного рабочего объема с наклонным диском с регулируемым углом наклона .
Конусный вариатор изменяет передаточное число, перемещая колесо или ремень вдоль оси одного или нескольких конических роликов. Самый простой тип конусного вариатора, одноконусная версия, использует колесо, которое движется по наклону конуса, создавая разницу между узким и широким диаметром конуса.
В некоторых конструкциях конусных вариаторов используются два ролика. [22] [23] В 1903 году Уильям Эванс и Пол Кнауф подали заявку на патент на бесступенчатую трансмиссию с использованием двух параллельных конических роликов, направленных в противоположные стороны и соединенных ремнями, которые можно было скользить вдоль конусов для изменения передаточного числа. [24] [25] Промежуточный вал Эванса с регулируемой скоростью, произведенный в 1920-х годах, проще: два ролика расположены с небольшим зазором постоянной ширины между ними, а положение кожаного шнура, проходящего между роликами, определяет передачу. соотношение. [26]
В эпициклическом вариаторе (также называемом планетарным вариатором) передаточное число сдвигается за счет наклона осей сферических роликов для обеспечения разных радиусов контакта, которые, в свою очередь, приводят в движение входные и выходные диски. По принципу действия это похоже на тороидальные вариаторы. Серийные версии включают вариатор NuVinci CVT . [27]
Трансмиссии с фрикционными дисками использовались в нескольких транспортных средствах и небольших локомотивах, построенных в начале 20 века, в том числе в автомобилях Lambert и Metz . Эти трансмиссии , используемые сегодня в снегоочистителях , состоят из выходного диска, который перемещается по поверхности входного диска, по которому он катится. Когда выходной диск устанавливается в положение, равное его собственному радиусу, результирующее передаточное число составляет 1:1. Передаточное отношение привода можно установить на бесконечность (т.е. стационарный выходной диск), переместив выходной диск в центр входного диска. Направление вывода также можно изменить, переместив выходной диск за центр входного диска. Так работала трансмиссия на ранних локомотивах «Плимут» , тогда как на тракторах с фрикционными дисками диапазон скоростей заднего хода обычно был ограничен. [28]
Магнитный вариатор все еще находится в разработке и передает крутящий момент с помощью бесконтактной магнитной муфты. [29] В конструкции используются два кольца постоянных магнитов с кольцом из стальных полюсных наконечников между ними для создания планетарной передачи с использованием магнитов. [30] Утверждается, что она обеспечивает снижение расхода топлива на 3–5 процентов по сравнению с механической системой. [30]
_in_planet_configuration.jpg/1280px-Infinitely_Variable_Transmission_with_rigid_friction_members_(shaped_as_double_cones)_in_planet_configuration.jpg){kind=spacer}
Некоторые вариаторы могут также функционировать как бесступенчатая трансмиссия (IVT), которая предлагает бесконечный диапазон пониженных передач (например, движение автомобиля вперед с бесконечно низкой скоростью). Некоторые IVT предотвращают обратный ход (когда выходной вал может свободно вращаться, как автомобильная трансмиссия в нейтральном положении) из-за обеспечения высокого крутящего момента заднего хода. Другие IVT, например, с храповым механизмом, позволяют выходному валу свободно вращаться. Типы вариаторов, которые могут функционировать как вариаторы, включают планетарные, фрикционные и храповые вариаторы.
В 1879 году Милтон Ривз изобрел вариатор (тогда он назывался трансмиссией с регулируемой скоростью ) для использования в лесопилении. В 1896 году Ривз начал устанавливать эту трансмиссию на свои автомобили [31] , а вариатор Reeves CVT также использовался несколькими другими производителями.
В мотоцикле Zenith Gradua 6HP 1911 года использовался вариатор Gradua на базе шкива. [32] [33] Год спустя Rudge-Whitworth Multigear был выпущен с аналогичным, но улучшенным вариатором. Другими ранними автомобилями, в которых использовался вариатор, были небольшие трехколесные велосипеды David 1913–1923 годов, построенные в Испании, [34] Clyno 1923 года , построенный в Великобритании, и седан Constantinesco 1926 года , построенный в Великобритании.
Первым серийным автомобилем с вариатором стал DAF 600 1958 года из Нидерландов . [35] Его трансмиссия Variomatic использовалась в нескольких автомобилях, построенных DAF и Volvo до 1980-х годов. [36]
В 1987 году ECVT , первый вариатор со стальным ремнем с электронным управлением, был представлен в качестве дополнительной трансмиссии на Subaru Justy . [37] [38] Производство было ограничено 500 единицами в месяц из-за ограниченного объема производства Van Doorne. В июне того же года поставки увеличились до 3000 в месяц, что побудило Subaru сделать вариатор доступным в автомобиле Rex kei . [39] Subaru также поставляла свои вариаторы другим производителям (например, Nissan Micra 1992 года , Fiat Uno и Panda ). [40] Также в 1987 году Ford Fiesta второго поколения и Fiat Uno первого поколения были представлены с вариаторами со стальным ремнем, которые в Ford и Fiat называются CTX и Unomatic соответственно.
Honda Civic шестого поколения 1996 года представила вариатор Honda Multi Matic (HMM) на базе шкива, который включал многодисковое сцепление, а не гидротрансформатор , для предотвращения проскальзывания на холостом ходу . [41]
В последующие годы использование вариаторов распространилось на такие модели, как Nissan Cube 1998 года , Rover 25 1999 года и Audi A6 1999 года . [42]
В Nissan Cedric (Y34) 1999 года использовался тороидальный вариатор — в отличие от конструкций на основе шкивов, используемых другими производителями, — продаваемых как Nissan Extroid , который имел гидротрансформатор. Затем в 2003 году Nissan перешел с тороидальных вариаторов на шкивные. Утверждается, что версия вариатора, используемая с двигателем VQ35DE в Nissan Altima четвертого поколения, способна передавать более высокие крутящие нагрузки, чем другие ременные вариаторы. [44]
Toyota Corolla (E210) 2019 года доступна с вариатором, которому помогает физический «пусковой механизм» рядом со шкивом вариатора. На скорости до 40 км/ч (25 миль в час) пусковая передача используется для увеличения ускорения и снижения нагрузки на вариатор. Выше этой скорости трансмиссия переключается на вариатор. [45]
Некоторые гибридные электромобили , такие как Toyota Prius, Nissan Altima, Mitsubishi Outlander PHEV и Ford Escape Hybrid , используют электрические регулируемые трансмиссии (EVT) для управления передачей мощности электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания. Они отличаются от стандартных вариаторов тем, что помимо двигателя приводятся в действие электродвигателем.
Маркетинговые термины для вариаторов включают «Lineartronic» ( Subaru ), «Xtronic» ( Jatco , Nissan , Renault ), INVECS-III ( Mitsubishi ), Multitronic ( Volkswagen , Audi ), «Autotronic» ( Mercedes-Benz ) и «IVT» ( Хюндай , Киа ).
В Соединенных Штатах гоночные автомобили Формулы 500 с открытыми колесами используют вариаторы с начала 1970-х годов. Вариаторы были запрещены в Формуле-1 в 1994 году (вместе с несколькими другими электронными системами и вспомогательными средствами вождения) из-за опасений по поводу роста затрат на исследования и разработки и поддержания определенного уровня участия водителей в управлении транспортными средствами. [46]
Во многих небольших транспортных средствах, таких как снегоходы , гольф-мобили и мотороллеры , используются вариаторы, обычно со шкивами. В вариаторах этих автомобилей часто используется резиновый ремень с нерастягивающейся фиксированной окружностью, изготовленный из различных очень прочных и гибких материалов, благодаря механической простоте и удобству использования, перевешивающим их сравнительную неэффективность. Некоторые мотороллеры оснащены центробежной муфтой , которая помогает при работе на холостом ходу или при ручном движении назад. [47]
Внедорожный мотоцикл Rokon RT340 TCR Auto 1974 года был оснащен снегоходным вариатором. Первым квадроциклом , оснащенным вариатором, стал Polaris Trail Boss в 1985 году .
В зерноуборочных комбайнах еще в 1950-х годах использовались регулируемые ременные передачи. Во многих небольших тракторах и самоходных косилках для дома и сада используются простые вариаторы с резиновым ремнем. Гидростатические вариаторы чаще встречаются на более крупных агрегатах. [ необходим пример ] При кошении или уборке урожая вариатор позволяет регулировать скорость движения оборудования независимо от частоты вращения двигателя; это позволяет оператору замедлять или ускорять работу по мере необходимости, чтобы учесть изменения толщины скошенной массы.
Гидростатические вариаторы используются в малой и средней сельскохозяйственной и землеройной технике. Поскольку двигатели в этих машинах обычно работают с постоянной выходной мощностью (для обеспечения гидравлической мощности или привода в действие оборудования), потери механического КПД компенсируются повышением эксплуатационного КПД. Например, в землеройном оборудовании время перемещения вперед-назад сокращается. Выходная скорость и мощность вариатора используются для управления скоростью движения, а иногда и рулевого управления оборудованием. В последнем случае необходимый перепад скоростей для управления оборудованием может обеспечиваться независимыми вариаторами, что позволяет осуществлять рулевое управление без ряда недостатков, присущих другим методам бортового поворота (таких как потери при торможении или потеря тягового усилия).
Садовые тракторы Wheel Horse 875 и 1075 1965 года были первыми такими машинами, оснащенными гидростатическим вариатором. В конструкции использовался наклонно-поворотный насос переменной производительности и шестеренный гидромотор постоянной производительности, объединенные в единый компактный корпус. Обратные соотношения были достигнуты путем изменения направления потока насоса за счет чрезмерного центрирования наклонной шайбы. Ускорение было ограничено и сглажено за счет использования аккумулятора давления и предохранительных клапанов, расположенных между насосом и двигателем, чтобы предотвратить резкие изменения скорости, возможные при прямой гидравлической муфте. Последующие версии включали двигатели с фиксированным наклонным диском и шаровые насосы. [ нужна цитата ]
Fendt Vario 926 1996 года стал первым тяжелым трактором, оснащенным трансмиссией IVT. Это не то же самое, что гидростатический вариатор. С этой трансмиссией выпущено более 100 000 тракторов. [48]
Вариаторы используются в системах производства электроэнергии в самолетах с 1950-х годов. [ нужна цитата ]
Вариаторы с маховиками используются в качестве регулятора скорости между двигателем (например, ветряной турбиной) и электрогенератором . Когда двигатель вырабатывает достаточную мощность, генератор подключается непосредственно к вариатору CVT, который служит для регулирования частоты вращения двигателя. Когда выходная мощность слишком мала, генератор отключается, и энергия сохраняется в маховике. Только когда скорость маховика достаточна, кинетическая энергия периодически преобразуется в электричество со скоростью, требуемой генератором.
Некоторые сверлильные станки и фрезерные станки содержат простую вариаторную систему с ременным приводом для управления скоростью патрона , включая модели Jet J-A5816 и J-A5818. [49] В этой системе эффективный диаметр только шкивов выходного вала является бесступенчатым. Входной шкив, подключенный к двигателю, обычно имеет фиксированный диаметр (или иногда с дискретными шагами, чтобы обеспечить выбор диапазонов скоростей). Оператор регулирует скорость дрели с помощью маховика, который контролирует ширину зазора между половинками шкива. В ременную передачу встроен натяжной ролик , который компенсирует или устраняет провисание ремня при изменении скорости.
Лебедки и подъемники также являются применением вариаторов, особенно для тех, кто адаптирует передаточное число к противодействующему крутящему моменту.
Велосипеды с вариатором имели ограниченный коммерческий успех: в одном из примеров диапазон передач эквивалентен восьмиступенчатому переключателю. [50] Короткая передача велосипеда помогала при езде в гору, но было отмечено, что вариатор значительно увеличивает вес велосипеда. [51]
Toyota Corolla Hatch 2019 года: 5 вещей, которые вам нужно знать!