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 в фиксированных шагах. Гибкость CVT с подходящим управлением может позволить двигателю работать с постоянной угловой скоростью, в то время как транспортное средство движется с различными скоростями.
CVT используются в автомобилях, тракторах, side-by-side , мотороллерах, снегоходах , велосипедах и землеройной технике . Наиболее распространенный тип CVT использует два шкива, соединенных ремнем или цепью ; однако иногда использовались и другие конструкции.
Наиболее распространенный тип вариатора использует клиновой ремень , который проходит между двумя шкивами переменного диаметра. [1] Шкивы состоят из двух конусообразных половин, которые движутся вместе и врозь. Клиновидный ремень проходит между этими двумя половинами, поэтому эффективный диаметр шкива зависит от расстояния между двумя половинами шкива. V-образное поперечное сечение ремня заставляет его подниматься выше на одном шкиве и опускаться на другом; поэтому передаточное отношение регулируется путем перемещения двух шкивов одного шкива ближе друг к другу, а двух шкивов другого шкива дальше друг от друга. [2]
Поскольку расстояние между шкивами и длина ремня не меняются, оба шкива должны регулироваться (один больше, другой меньше) одновременно, чтобы поддерживать надлежащее натяжение ремня. Простые вариаторы, объединяющие центробежный ведущий шкив с подпружиненным ведомым шкивом, часто используют натяжение ремня для воздействия на соответствующие регулировки в ведомом шкиве. [2] Клиновой ремень должен быть очень жестким в осевом направлении шкива, чтобы совершать только короткие радиальные перемещения при скольжении внутрь и наружу шкивов.
Радиальная толщина ремня является компромиссом между максимальным передаточным отношением и крутящим моментом. Армированные сталью клиновые ремни достаточны для маломассивных и маломощных применений, таких как коммунальные транспортные средства и снегоходы, но для применений с большей массой и крутящим моментом, таких как автомобили, требуется цепь. Каждый элемент цепи должен иметь конические стороны, которые подходят к шкиву, когда ремень работает по самому внешнему радиусу. По мере того, как цепь движется в шкивы, площадь контакта уменьшается. Поскольку площадь контакта пропорциональна количеству элементов, цепные ремни требуют много очень маленьких элементов.
Конструкция с ременным приводом обеспечивает эффективность около 88% [3] , что, хотя и ниже, чем у механической коробки передач , может быть компенсировано за счет возможности работы двигателя на наиболее эффективных оборотах независимо от скорости автомобиля. Когда мощность важнее экономичности, передаточное отношение вариатора можно изменить, чтобы двигатель мог вращаться на оборотах, на которых он вырабатывает наибольшую мощность.
В цепном вариаторе многочисленные элементы цепи расположены вдоль нескольких стальных полос, наложенных друг на друга, каждая из которых достаточно тонка, чтобы легко сгибаться . Когда часть ремня обернута вокруг шкива, стороны элементов образуют коническую поверхность. [4] [5] В стопке полос каждая полоса соответствует немного разному передаточному отношению, и поэтому полосы скользят друг по другу и нуждаются в достаточной смазке . На шкивы наносится 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. [ необходима цитата ]
Некоторые вариаторы передают мощность на выходной шкив посредством 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 положительным бесконечным переменным ходом (PIV) отличаются тем, что цепь положительно сцепляется с коническими шкивами. Это достигается за счет наличия стопки из множества небольших прямоугольных пластин в каждом звене цепи, которые могут скользить независимо из стороны в сторону. Пластины могут быть довольно тонкими, толщиной около миллиметра. Конические шкивы имеют радиальные канавки. Канавка на одной стороне шкива встречается с гребнем на другой стороне, и поэтому скользящие пластины толкаются вперед и назад, чтобы соответствовать рисунку, эффективно образуя зубья правильного шага при сжатии между шкивами. Благодаря поверхностям блокировки этот тип привода может передавать значительный крутящий момент и поэтому широко используется в промышленных приложениях. Однако максимальная скорость значительно ниже, чем у других вариаторов на основе шкивов. Скользящие пластины будут медленно изнашиваться в течение многих лет использования. Поэтому пластины сделаны длиннее, чем необходимо, что обеспечивает больший износ, прежде чем цепь должна быть восстановлена или заменена. Требуется постоянная смазка, поэтому корпус обычно частично заполнен маслом. [9] [10]
Тороидальные вариаторы, используемые в Nissan Cedric (Y34) [ 11] [12] и те, которые построены CVTCORP [13] , состоят из ряда дисков и роликов. Диски можно изобразить как две почти конические части, расположенные точка-к-точке, с вогнутыми сторонами таким образом, чтобы две части могли поместиться в центральное отверстие тора . Один диск является входным, а другой - выходным. Между дисками находятся ролики, которые изменяют передаточное отношение и передают мощность с одной стороны на другую. Когда оси роликов перпендикулярны оси дисков, эффективный диаметр одинаков для входных и выходных дисков, что приводит к передаточному отношению 1:1. Для других передаточных отношений ролики вращаются вдоль поверхностей дисков таким образом, что они соприкасаются с дисками в точках с разными диаметрами, что приводит к передаточному отношению, отличному от 1:1. [14]
Преимуществом тороидального вариатора является способность выдерживать более высокие крутящие нагрузки, чем вариатор на основе шкива. [15] В некоторых тороидальных системах направление тяги может быть изменено внутри вариатора, что устраняет необходимость во внешнем устройстве для обеспечения задней передачи. [16]
Храповой вариатор использует ряд односторонних муфт или храповиков , которые выпрямляют и суммируют только «прямое» движение. Характеристики включения-выключения типичного храповика означают, что многие из этих конструкций не являются непрерывными в работе (т. е. технически не являются вариатором), но на практике существует много сходств в работе, и храповой вариатор способен производить нулевую выходную скорость из любой заданной входной скорости (согласно бесступенчатой трансмиссии). Передаточное отношение регулируется путем изменения геометрии связи в колебательных элементах, так что регулируется суммарная максимальная скорость связи, даже когда средняя скорость связи остается постоянной.
Храповые вариаторы могут передавать значительный крутящий момент, поскольку их статическое трение фактически увеличивается относительно крутящего момента, поэтому проскальзывание невозможно в правильно спроектированных системах. Эффективность, как правило, высока, поскольку большая часть динамического трения вызвана очень небольшими переходными изменениями скорости сцепления. Недостатком храповых вариаторов является вибрация, вызванная последовательным переходом скорости, необходимым для ускорения элемента, который должен вытеснять ранее работающий и замедляющий элемент передачи мощности.
Принцип конструкции восходит к периоду до 1930-х годов, при этом первоначальная конструкция была предназначена для преобразования вращательного движения в колебательное и обратно во вращательное движение с использованием роликовых муфт. [17] Эта конструкция остается в производстве по состоянию на 2017 год для использования с низкоскоростными электродвигателями. [18] Пример, прототипированный как велосипедная трансмиссия, был запатентован в 1994 году. [19] Принцип работы храпового механизма CVT, использующего механизм Scotch yoke для преобразования вращательного движения в колебательное и некруглые шестерни для достижения равномерного соотношения входного и выходного сигнала, был запатентован в 2014 году. [20]
Гидростатическая вариаторная трансмиссия использует насос с положительным вытеснением , приводимый в действие двигателем, для подачи масла под давлением в один или несколько гидравлических двигателей , которые создают крутящий момент, который прикладывается к ведущим колесам транспортного средства. Название «гидростатическая вариаторная трансмиссия», которое неправильно использует термин « гидростатическая », отличает этот тип трансмиссии от той, которая включает в свою конструкцию гидродинамический умножитель крутящего момента («трансформатор крутящего момента»).
В гидростатическом вариаторе эффективное «передаточное отношение» 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 в системе, в которой вся производительность насоса подается на двигатель (двигатели), это отношение определяется уравнением GR = Dm ÷ Dp , где Dp — эффективный рабочий объем насоса, Dm — рабочий объем двигателя, а GR — «передаточное отношение».
В гидростатическом вариаторе эффективное «передаточное отношение» изменяется путем изменения эффективного рабочего объема насоса, что будет изменять объем масла, подаваемого в двигатель(и) при заданной частоте вращения двигателя (RPM). Существует несколько способов, с помощью которых это может быть достигнуто, один из которых заключается в отводе части выходного потока насоса обратно в резервуар через регулируемый клапан. При таком расположении, поскольку больше масла отводится путем открытия клапана, эффективный рабочий объем насоса уменьшается и меньше масла подается в двигатель, заставляя его вращаться медленнее. И наоборот, закрытие клапана уменьшит объем отводимого масла, увеличивая эффективный рабочий объем насоса и заставляя двигатель вращаться быстрее.
Другой метод заключается в использовании насоса переменного рабочего объема . Когда насос настроен на малый рабочий объем, он производит малый объем потока масла, заставляя гидравлический двигатель(и) вращаться медленнее. По мере увеличения рабочего объема насоса производится больший объем потока масла для любого заданного числа оборотов двигателя, заставляя двигатель(и) вращаться быстрее.
Преимущества гидростатического вариатора включают в себя:
К недостаткам гидростатического вариатора относятся:
Использование гидростатических вариаторов включает в себя кормоуборочные комбайны , зерноуборочные комбайны , небольшие колесные/гусеничные/ погрузчики с бортовым поворотом , гусеничные тракторы и дорожные катки . Один сельскохозяйственный пример, произведенный AGCO , разделяет мощность между гидростатической и механической передачей на выходной вал через планетарную передачу в прямом направлении движения (в обратном направлении передача мощности полностью гидростатическая). Такое расположение снижает нагрузку на гидростатическую часть трансмиссии при движении вперед за счет передачи значительной части крутящего момента через более эффективные фиксированные передачи. [21]
Вариант, называемый интегрированной гидростатической трансмиссией (IHT), использует один корпус как для гидравлических элементов, так и для элементов редуктора и применяется в некоторых мини-тракторах и газонокосилках с сиденьем .
Мотоцикл Honda DN-01 Cruiser 2008–2010 годов использовал гидростатический вариатор в виде аксиально-поршневого насоса переменной производительности с наклонной шайбой с переменным углом наклона .
Конусный CVT изменяет передаточное отношение, перемещая колесо или ремень вдоль оси одного или нескольких конических роликов. Самый простой тип конусного CVT, одноконусный вариант, использует колесо, которое перемещается вдоль наклона конуса, создавая разницу между узким и широким диаметрами 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, использующую два параллельных конических ролика, направленных в противоположные стороны и соединенных ремнями, которые можно было скользить вдоль конусов, чтобы изменять передаточное отношение. [24] [25] Промежуточный вал с переменной скоростью Эванса, произведенный в 1920-х годах, проще — два ролика расположены с небольшим зазором постоянной ширины между ними, а положение кожаного шнура, проходящего между роликами, определяет передаточное отношение. [26]
В планетарном вариаторе (также называемом планетарным вариатором) передаточное отношение смещается путем наклона осей сферических роликов для обеспечения различных радиусов контакта, которые, в свою очередь, приводят в движение входные и выходные диски. Это похоже на принцип тороидальных вариаторов. Производственные версии включают NuVinci CVT . [ 27]
Несколько гибридных электромобилей , таких как Toyota Prius, Nissan Altima, Mitsubishi Outlander PHEV и Ford Escape Hybrid , используют электрические трансмиссии (EVT, иногда eCVT) для управления распределением мощности от электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания. Они отличаются от стандартных вариаторов тем, что они приводятся в действие электродвигателем в дополнение к двигателю, часто используя планетарные передачи для объединения их выходов вместо ремня, используемого в традиционных вариаторах. Ярким примером является Toyota Hybrid Synergy Drive .
Фрикционные дисковые передачи использовались в нескольких транспортных средствах и небольших локомотивах, построенных в начале 20-го века, включая автомобили Lambert и Metz . Используемые сегодня в снегоочистителях , эти трансмиссии состоят из выходного диска, который перемещается по поверхности входного диска, по которому он катится. Когда выходной диск регулируется в положение, равное его собственному радиусу, результирующее передаточное отношение составляет 1:1. Передаточное отношение можно установить на бесконечность (т. е. неподвижный выходной диск), перемещая выходной диск в центр входного диска. Направление выхода также можно изменить на обратное, перемещая выходной диск мимо центра входного диска. Трансмиссия на ранних локомотивах Plymouth работала таким образом, в то время как на тракторах, использующих фрикционные диски, диапазон обратных скоростей обычно был ограничен. [28]
Находящийся в стадии разработки магнитный вариатор передает крутящий момент с помощью бесконтактной магнитной муфты. [29] В конструкции используются два кольца постоянных магнитов с кольцом стальных полюсных наконечников между ними для создания планетарной передачи с использованием магнитов. [30] Утверждается, что он 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 обеспечивает бесконечный диапазон низких передач (например, перемещение транспортного средства вперед на бесконечно низкой скорости). Некоторые IVT предотвращают движение назад (когда выходной вал может свободно вращаться, как автомобильная трансмиссия на нейтральной передаче) из-за обеспечения высокого крутящего момента обратного движения. Другие IVT, такие как храповые типы, позволяют выходному валу свободно вращаться. Типы вариаторов, которые могут функционировать как IVT, включают эпициклические, фрикционные и храповые вариаторы.
В 1879 году Милтон Ривз изобрел вариатор (тогда его называли трансмиссией с переменной скоростью ) для использования в лесопилении. В 1896 году Ривз начал устанавливать эту трансмиссию на свои автомобили, [31] и вариатор Ривза также использовался несколькими другими производителями.
Мотоцикл Zenith Gradua 6HP 1911 года выпуска использовал шкивную вариаторную коробку передач Gradua . [32] [33] Год спустя был выпущен Rudge-Whitworth Multigear с похожей, но улучшенной вариаторной коробкой передач. Другими ранними автомобилями, использовавшими вариаторную коробку передач, были небольшие трехколесные велосипедные автомобили David 1913–1923 годов, построенные в Испании, [34] Clyno 1923 года , построенный в Великобритании, и Constantinesco Saloon 1926 года , построенный в Великобритании.
Первым серийным автомобилем, использовавшим вариатор, был DAF 600 1958 года из Нидерландов . [35] Его трансмиссия Variomatic использовалась в нескольких автомобилях, выпущенных DAF и Volvo до 1980-х годов. [36]
В 1987 году ECVT , первый электронно-управляемый вариатор со стальным ремнем, был представлен в качестве дополнительной трансмиссии на Subaru Justy , [37] [38] Производство было ограничено 500 единицами в месяц из-за ограниченного выпуска продукции Van Doorne. В июне того же года поставки увеличились до 3000 единиц в месяц, что привело к тому, что Subaru сделала вариатор доступным в автомобиле Rex kei . [39] Subaru также поставляла свои вариаторы другим производителям (например, Nissan Micra 1992 года и Fiat Uno и Panda ). [40] Также в 1987 году были представлены второе поколение Ford Fiesta и первое поколение Fiat Uno с вариаторами со стальным ремнем, которые назывались CTX и Unomatic в Ford и Fiat соответственно.
В 1996 году Honda Civic шестого поколения представила вариатор Honda Multi Matic (HMM) на основе шкива, который включал в себя многодисковое сцепление, а не гидротрансформатор , для предотвращения проскальзывания на холостом ходу . [41]
Использование вариаторов распространилось в последующие годы на такие модели, как Nissan Cube 1998 года , Rover 25 1999 года и Audi A6 1999 года . [42]
Nissan Cedric (Y34) 1999 года выпуска использовал тороидальный вариатор — в отличие от конструкций на основе шкивов, используемых другими производителями — продаваемый как Nissan Extroid , который включал в себя гидротрансформатор. Затем Nissan перешел с тороидальных на вариаторы на основе шкивов в 2003 году. [43] Версия вариатора, используемая с двигателем VQ35DE в Nissan Altima четвертого поколения, как утверждается, способна передавать более высокие крутящие нагрузки, чем другие ременные вариаторы. [44]
Toyota Corolla 2019 года (E210) доступна с вариатором, которому помогает физическая «пусковая передача» рядом со шкивом вариатора. На скорости до 40 км/ч (25 миль/ч) пусковая передача используется для увеличения ускорения и снижения нагрузки на вариатор. Выше этой скорости трансмиссия переключается на вариатор. [45]
Маркетинговые термины для вариаторов включают «Lineartronic» ( Subaru ), «Xtronic» ( Jatco , Nissan , Renault ), INVECS-III ( Mitsubishi ), Multitronic ( Volkswagen , Audi ), «Autotronic» ( Mercedes-Benz ) и «IVT» ( Hyundai , Kia ).
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 системами помощи водителю) из-за опасений по поводу роста расходов на исследования и разработки и поддержания определенного уровня вовлеченности водителя в транспортные средства. [46]
Многие небольшие транспортные средства, такие как снегоходы , гольф-кары и мотороллеры , используют вариаторы, как правило, шкивного типа. Вариаторы в этих транспортных средствах часто используют резиновый ремень с нерастягивающейся фиксированной окружностью, изготовленный с использованием различных высокопрочных и гибких материалов, из-за механической простоты и удобства использования, перевешивающих их сравнительную неэффективность. Некоторые мотороллеры включают в себя центробежное сцепление , чтобы помочь при холостом ходе или ручном движении скутера задним ходом. [47]
Внедорожный мотоцикл Rokon RT340 TCR Automatic 1974 года выпуска был оснащен снегоходным вариатором. Первым квадроциклом , оснащенным вариатором, был Polaris Trail Boss в 1985 году. [ необходима цитата ]
В комбайнах переменные ременные приводы использовались еще в 1950-х годах. Во многих небольших тракторах и самоходных газонокосилках для дома и сада используются простые резиновые ременные вариаторы. Гидростатические вариаторы чаще встречаются на более крупных агрегатах. [ нужен пример ] При кошении или сборе урожая вариатор позволяет регулировать скорость движения оборудования независимо от частоты вращения двигателя; это позволяет оператору замедлять или ускорять движение по мере необходимости, чтобы приспособиться к изменениям толщины урожая.
Гидростатические вариаторы используются в малогабаритном сельскохозяйственном и землеройном оборудовании. Поскольку двигатели в этих машинах обычно работают с постоянной выходной мощностью (для обеспечения гидравлической мощности или для питания машин), потери механической эффективности компенсируются повышенной эксплуатационной эффективностью. Например, в землеройном оборудовании сокращается время движения вперед-назад. Скорость и выходная мощность вариатора используются для управления скоростью движения и иногда рулевым управлением оборудования. В последнем случае требуемый дифференциал скорости для управления оборудованием может обеспечиваться независимыми вариаторами, что позволяет осуществлять рулевое управление без ряда недостатков, связанных с другими методами поворота с бортовым поворотом (такими как потери при торможении или потеря тягового усилия).
Садовые тракторы Wheel Horse 875 и 1075 1965 года были первыми подобными транспортными средствами, оснащенными гидростатическим вариатором. В конструкции использовался насос с наклонной шайбой переменной производительности и гидравлический двигатель шестеренного типа с фиксированным рабочим объемом, объединенные в один компактный пакет. Обратные передаточные числа достигались путем изменения направления потока насоса посредством чрезмерного центрирования наклонной шайбы. Ускорение ограничивалось и сглаживалось за счет использования аккумулятора давления и предохранительных клапанов, расположенных между насосом и двигателем, для предотвращения резких изменений скорости, возможных при прямом гидравлическом соединении. Последующие версии включали двигатели с фиксированной наклонной шайбой и шаровые насосы. [ необходима цитата ]
Fendt Vario 926 1996 года был первым тяжелым трактором, оснащенным трансмиссией IVT. Это не то же самое, что гидростатическая вариаторная трансмиссия. Было выпущено более 100 000 тракторов с этой трансмиссией. [48]
Вариаторы используются в системах электроснабжения самолетов с 1950-х годов. [ необходима ссылка ]
Вариаторы с маховиками используются [ требуется ссылка ] в качестве регулятора скорости между двигателем (например, ветряной турбиной) и электрогенератором . Когда двигатель вырабатывает достаточную мощность, генератор подключается напрямую к вариатору, который служит для регулирования скорости двигателя. Когда выходная мощность слишком низкая, генератор отключается, и энергия сохраняется в маховике. Только когда скорость маховика достаточна, кинетическая энергия преобразуется в электричество, периодически, со скоростью, требуемой генератором.
Некоторые сверлильные станки и фрезерные станки содержат простую систему вариатора 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 плавно изменяется. Входной шкив, соединенный с двигателем, обычно имеет фиксированный диаметр (или иногда с дискретными шагами, чтобы обеспечить выбор диапазонов скорости). Оператор регулирует скорость сверла с помощью маховика, который управляет шириной зазора между половинками шкива. Натяжной шкив реализован в ременной передаче для выбора или освобождения слабины ремня при изменении скорости.
Лебедки и подъемники также являются сферой применения вариаторов, особенно тех, которые адаптируют передаточное отношение к крутящему моменту сопротивления.
Велосипеды с вариатором имели ограниченный коммерческий успех, один из экземпляров обеспечивал диапазон передач, эквивалентный восьмиступенчатому переключателю передач. [50] Короткие передачи велосипеда помогали при подъеме на гору, но было отмечено, что вариатор значительно увеличивал вес велосипеда. [51]
Рост популярности электровелосипедов привел к переоценке вариатора как лучшего решения для оптимальной настройки трансмиссии по сравнению с системами передач, которые исторически применялись на велосипедах с ручным приводом. [52] [53] Бесконтактное и бесступенчатое управление в сочетании с низкими требованиями к обслуживанию делают вариатор привлекательным решением для использования на городских электровелосипедах и для пассажиров . [54] Коммерчески доступные исполнения вариаторов для электровелосипедов включают приводы ratioX и e2.
2019 Toyota Corolla Hatch: 5 главных вещей, которые вам нужно знать!