Бесступенчатая трансмиссия

редактировать
Автоматическая трансмиссия, которая может плавно переключаться в непрерывном диапазоне эффективных передаточных чисел

CVT на основе шкивов

A бесступенчатая Коробка передач (CVT ) - это автоматическая коробка передач, которая может плавно переключаться в непрерывном диапазоне передаточных чисел. 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 частотой вращения, в то время как транспортное средство движется с различными скоростями.

CVT используются в автомобилях, тракторах, мотороллерах, снегоходах и землеройной технике.

В наиболее распространенном типе вариаторов используются два шкива, соединенных ремнем или цепью, однако время от времени использовались и другие конструкции.

Содержание

  • 1 Типы
    • 1.1 Шкив
    • 1.2 Тороидальный
    • 1.3 Храповый
    • 1.4 Гидростатический
    • 1,5 Конус
    • 1,6 Эпициклический
    • 1,7 Другие типы
    • 1.8 Бесступенчатая трансмиссия
  • 2 Origins
  • 3 Области применения
    • 3.1 Автомобили
    • 3.2 Гоночные автомобили
    • 3.3 Малогабаритные автомобили
    • 3.4 Сельхозтехника и землеройное оборудование
    • 3.5 Энергетические системы
    • 3.6 Другое применение
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки

Типы

Шкив

CVT с ременным приводом для мотороллера Цепной привод PIV Файл: Claas Mercator 12 августа 2020 г. JM ( 7).webm Воспроизвести медиа CVT в зерноуборочном комбайне Claas Mercator. Диаметр шкива можно изменять, толкая два конусообразных диска по направлению друг к другу или от них.

В наиболее распространенном типе вариаторов используется клиновой ремень, который проходит между двумя шкивами переменного диаметра. Шкивы состоят из двух половин конической формы, которые перемещаются вместе и расходятся. Клиновой ремень проходит между этими двумя половинами, поэтому эффективный диаметр шкива зависит от расстояния между двумя половинами шкива. Благодаря V-образному поперечному сечению ремня он перемещается выше на одном шкиве и опускается на другом, поэтому передаточное число регулируется путем перемещения двух шкивов одного шкива ближе друг к другу и двух шкивов другого шкива дальше друг от друга.

Поскольку расстояние между шкивами и длина ремня не изменяется, оба шкива должны регулироваться (один больше, другой меньше) одновременно, чтобы поддерживать необходимое натяжение ремня. Простые вариаторы, сочетающие центробежный приводной шкив с подпружиненным ведомым шкивом, часто используют натяжение ремня для выполнения соответствующих регулировок в ведомом шкиве. Клиновой ремень должен быть очень жестким в осевом направлении шкива, чтобы совершать только короткие радиальные движения при скольжении в шкивы и выходе из них.

Толщина ремня в радиальном направлении - это компромисс между максимальным передаточным числом и крутящим моментом. Армированные сталью клиновые ремни достаточны для маломощных систем с низким крутящим моментом, таких как грузовые автомобили и снегоходы, но для приложений с большей массой и крутящим моментом, таких как автомобили, требуется цепь. Каждый элемент цепи должен иметь конические стороны, подходящие к шкиву, когда ремень движется по крайнему радиусу. По мере того, как цепь перемещается в 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%, который, хотя и ниже, чем у механической трансмиссии, можно компенсировать, позволяя двигателю работать на наиболее эффективных оборотах независимо от скорости автомобиля. Когда мощность важнее экономии, передаточное число вариатора можно изменить, чтобы двигатель мог вращаться с частотой вращения, при которой он производит наибольшую мощность.

В цепном вариаторе на шкивы нанесена пленка смазки. Он должен быть достаточно толстым, чтобы шкив и цепь никогда не соприкасались, и он должен быть тонким, чтобы не тратить энергию, когда каждый элемент погружается в смазочную пленку. Кроме того, элементы цепи стабилизируют около 12 стальных лент. Каждая полоса достаточно тонкая, чтобы легко гнуться. При изгибе он имеет идеальную коническую поверхность на боку. В стопке лент каждая лента соответствует немного разному передаточному отношению, поэтому они скользят друг по другу, и между ними требуется масло. Также внешние ленты скользят по стабилизирующей цепи, а центральная лента может использоваться как звено цепи.

Некоторые вариаторы передают мощность на выходной шкив посредством натяжения ремня («тянущая» сила), в то время как другие используют сжатие звеньев, когда входной шкив «толкает» ремень, который, в свою очередь, толкает выходной шкив.

Цепные приводы с позитивно-бесступенчатой ​​регулировкой (PIV) отличаются тем, что цепь надежно блокируется с коническими шкивами, это достигается за счет наличия множества небольших прямоугольных пластин в каждом звене цепи, которые могут скользить независимо от стороны- сбоку эти 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 формируя зубья правильного шага при сжатии между ними. шкивы. Благодаря взаимоблокирующим поверхностям 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 делаются длиннее, чем необходимо, что обеспечивает больший износ перед ремонтом или заменой цепи. Требуется постоянная смазка, поэтому корпус обычно частично заполнен маслом.

Тороидальный

Тороидальный вариатор, используемый в Nissan Cedric (Y34)

Тороидальный вариатор, используемый в 1999 Nissan Cedric (Y34), состоит из ряда дисков и роликов. Диски можно изобразить как две почти конические части, точка к точке, с выпуклыми сторонами так, чтобы две части могли заполнить центральное отверстие тора . Один диск - это вход, а другой - выход. Между дисками расположены ролики, которые изменяют передаточное отношение и передают мощность с одной стороны на другую. Когда ось ролика перпендикулярна оси дисков, эффективный диаметр одинаков для входных и выходных дисков, в результате чего передаточное число привода составляет 1: 1. Для других передаточных чисел ролики перемещаются вдоль оси дисков, в результате чего ролики контактируют с дисками в точке, имеющей больший или меньший диаметр, что дает передаточное число, отличное от 1: 1.

Преимущество тороидального вариатора - способность выдерживать более высокие крутящие нагрузки, чем вариатор со шкивом. В некоторых тороидальных системах направление тяги внутри вариатора может быть изменено на противоположное, что устраняет необходимость во внешнем устройстве для обеспечения передачи заднего хода.

Храповой механизм

Храповый вариатор использует серию из одного муфты или трещотки, которые исправляют и суммируют только "поступательное" движение. Двухпозиционные характеристики типичного храпового механизма означают, что многие из этих конструкций не работают в непрерывном режиме (т.е. технически не являются вариатором), однако на практике есть много общего в работе, и вариатор с храповым механизмом способен производить нулевую выходную скорость из любая заданная скорость на входе (согласно бесступенчатой ​​трансмиссии). Передаточное число регулируется путем изменения геометрии рычажного механизма в колеблющихся элементах, так что суммарная максимальная скорость рычага регулируется, даже если средняя скорость рычага остается постоянной.

Бесступенчатые трансмиссии с храповым механизмом могут передавать значительный крутящий момент, поскольку их статическое трение фактически увеличивается по сравнению с пропускной способностью крутящего момента, поэтому проскальзывание невозможно в правильно спроектированных системах. Эффективность обычно высока, поскольку большая часть динамического трения вызывается очень незначительными переходными изменениями скорости сцепления. Недостатком бесступенчатых трансмиссий с храповым механизмом является вибрация, вызванная последовательным изменением скорости, необходимой для ускорения элемента, который должен вытеснять ранее работающий и замедляющий элемент, передающий мощность.

Принцип конструкции восходит к 1930-м годам, при этом первоначальная конструкция была предназначена для преобразования вращательного движения в колебательное и обратно во вращательное движение с помощью роликовых муфт. Эта конструкция остается в производстве с 2017 года для использования с низкооборотными электродвигателями. Прототип велосипедной трансмиссии был запатентован в 1994 году. Принцип действия конструкции вариатора с храповым механизмом с использованием механизма кулисной вилки для преобразования вращательного движения в колебательное движение и некруглых шестерен в для достижения равномерного соотношения входа и выхода, был запатентован в 2014 году.

Гидростатический

Гидростатический вариатор, используемый в мотоцикле Honda DN-01

Гидростатический вариатор использует переменный рабочий объем насос и гидравлический двигатель, поэтому трансмиссия преобразует гидравлическое давление во вращение выходного вала. Преимущества гидростатических вариаторов:

  • Возможность масштабирования до любого крутящего момента, который может быть достигнут с помощью гидравлического двигателя.
  • Мощность может передаваться на ступицу колеса с помощью гибких шлангов, что позволяет создать более гибкую систему подвески. и упрощение конструкции полноприводных сочлененных транспортных средств.
  • Имеется плавный переход между всеми скоростями движения вперед и назад, которым можно управлять с помощью одного рычага.
  • Можно произвольно понижать скорость замедленного движения. достигается при полном крутящем моменте, обеспечивая точное движение транспортного средства.
  • Может также обеспечивать управление скоростью любого другого гидравлического компонента, такого как гидроцилиндры.

По сравнению с шестеренчатыми трансмиссиями, гидростатические вариаторы обычно более дороги, но для машин, которые уже используют гидравлическую передачу энергии, дополнительная сложность и стоимость менее значительны. Как и в случае с большинством гидравлических трансмиссий, передача высокого крутящего момента в течение продолжительного времени требует охлаждения гидравлической жидкости.

Гидростатические вариаторы используются в кормоуборочных комбайнах , зерноуборочных комбайнах, малых колесных / гусеничных / с бортовым поворотом погрузчиках, гусеничных тракторах . и дорожные катки. Один сельскохозяйственный образец, произведенный AGCO Corporation, разделяет мощность между гидростатической и механической передачей на выходной вал через планетарную передачу в прямом направлении движения (в обратном направлении передача мощности полностью гидростатическая), это снижает нагрузка на гидростатическую часть трансмиссии в прямом направлении за счет передачи значительной части крутящего момента через более эффективные фиксированные шестерни.

В варианте, называемом интегрированной гидростатической трансмиссией (IHT), оба гидравлических элемента используются в одном корпусе и редукторные элементы, и используется в некоторых минитракторах и райд-на газонокосилках.

Мотоцикл Cruiser Honda DN-01 2008-2010 гг. гидростатический вариатор в виде аксиально-поршневого насоса переменного рабочего объема с регулируемым углом наклонной шайбой.

В японском резервуаре Тип 10 используется гидромеханическая трансмиссия.

Конус

CVT с фрикционным конусом Evans

Конусный вариатор изменяет передаточное число, перемещая колесо l или ремень вверх и вниз по оси конического ролика (ов). Самый простой тип конического вариатора, версия с одним конусом, использует колесо, которое движется по наклону конуса, создавая разницу между узким и широким диаметром конуса.

В некоторых конструкциях конических вариаторов используются два ролика. В конусе трения Эванса, произведенном в 1920-х годах, используются два ролика, которые ориентированы так, чтобы между роликами оставался небольшой зазор постоянного размера. Кожаный ремешок находится в зазоре между роликами, прижимаясь к обоим роликам, чтобы передавать движение от входного ролика к выходному ролику. Передаточное число трансмиссии регулируется перемещением этой планки по оси роликов.

В вариаторе с колеблющимися конусами крутящий момент передается посредством трения от переменного числа конусов (в соответствии с передаваемым крутящим моментом) на центральную бочкообразную ступицу. Боковая поверхность ступицы выпуклая с определенным радиусом кривизны, который меньше, чем радиус вогнутости конусов. Таким образом, в любое время будет только одна (теоретическая) точка контакта между каждым конусом и ступицей.

Эпициклический

Эпициклический вариатор

В эпициклическом вариаторе (также называемом планетарным вариатором) передаточное число изменяется за счет непрерывного наклона осей сфер, чтобы обеспечить различные радиусы контакта, которые по очереди приводы входных и выходных дисков. Система может иметь несколько «планет» для передачи крутящего момента через множество жидких пятен. Серийные версии включают Toyota e-CVT (которая дебютировала на Toyota Prius 1997 ) и NuVinci CVT.

Другие типы

трансмиссии с фрикционными дисками использовались в нескольких тракторы и малые локомотивы постройки первых десятилетий 20 века. Эти трансмиссии состоят из выходного диска, который может перемещаться по поверхности входного диска, по которому он катится. Когда выходной диск был отрегулирован в положение, равное его собственному радиусу, полученное передаточное число составило 1: 1. Передаточное число привода может быть установлено на бесконечность (т. Е. Стационарный выходной диск) путем перемещения выходного диска в центр входного диска. Направление вывода также можно было изменить на противоположное, перемещая диск мимо центра входного диска. Трансмиссия на ранних локомотивах Plymouth работала таким образом, в то время как на тракторах с фрикционными дисками диапазон обратных скоростей обычно был ограничен.

Магнитный вариатор передает крутящий момент с помощью бесконтактной магнитной муфты. а не физический контакт. В конструкции используются два кольца постоянных магнитов с кольцом из стальных полюсных наконечников между ними, чтобы создать планетарный редуктор с использованием магнитов. Утверждается, что он обеспечивает снижение расхода топлива на 3-5 процентов по сравнению с механической системой.

Бесступенчатые трансмиссии

Некоторые вариаторы могут также функционировать как бесступенчатая трансмиссия (IVT), которая предлагает бесконечный диапазон пониженных передач (например, движение автомобиля вперед с бесконечно малой скоростью). Некоторые бесступенчатые трансмиссии предотвращают обратное движение (когда выходной вал может свободно вращаться, как автомобильная трансмиссия в нейтральном положении) из-за обеспечения высокого крутящего момента обратного движения. Другие бесступенчатые трансмиссии, например, с храповым механизмом, позволяют выходному валу свободно вращаться. Типы вариаторов, которые могут функционировать как бесступенчатые трансмиссии, включают эпициклические вариаторы, вариатор с фрикционным диском и храповой механизм.

В планетарном вариаторе бесступенчатой ​​трансмиссии бесконечно низкие передаточные числа создаются, когда скорость вращения выходного вала равна разнице между двумя другими скоростями внутри вариатора. В этой ситуации вариатор работает как регулятор скорости вращения любого из трех ротаторов планетарной системы. Поскольку два ротатора являются входом и выходом регулятора, вариатор можно настроить так, чтобы выходная скорость была равна нулю для любой заданной входной скорости. Входная скорость вариатора всегда такая же, как и у двигателя, даже если выходная скорость равна нулю.

Истоки

В 1879 году Милтон Ривз изобрел вариатор (в то время называемый трансмиссией с регулируемой скоростью) для использования при фрезеровании пил. В 1879 году Ривз начал устанавливать эту трансмиссию на свои автомобили, а вариатор Ривза также использовался рядом других производителей.

На мотоцикле 1911 Zenith Gradua 6HP использовался вариатор Gradua CVT со шкивом. Годом позже был выпущен Rudge-Whitworth Multigear с аналогичным, но улучшенным вариатором. Другими ранними автомобилями, в которых использовался вариатор, были небольшие трехколесные велосипедные автомобили David 1913-1923 гг., Построенные в Испании, Clyno 1923 г., построенные в Великобритании, и Constantinesco Saloon 1926 г. построен в Великобритании

Применения

Автомобили

с 2000 г. по настоящее время Toyota K CVT

Первым серийным автомобилем с вариатором был 1958 г. DAF 600 небольшой седан, построенный в Нидерландах. Эта трансмиссия Variomatic использовалась в нескольких автомобилях, построенных DAF и Volvo до 1980-х годов.

1987 Ford Fiesta (второе поколение) и Fiat Uno ( первое поколение) стали первыми автомобилями, оснащенными вариатором со стальным ремнем (в отличие от менее прочной конструкции DAF с резиновым ремнем). Трансмиссия Multitronic была разработана Ford, Van Doorne и Fiat, работа над трансмиссией началась в 1976 году.

Также в 1987 году ECVT была представлена ​​в качестве дополнительной трансмиссии на Subaru Justy, Производство было ограничено 500 единицами в месяц, поскольку Transmissie Ван Дорна в Нидерландах могла производить только такое количество стальных ремней для них. В июне поставки увеличились до 3000 в месяц, что побудило Subaru сделать вариатор доступным для автомобилей Subaru Rex Kei. Subaru также поставляла свои вариаторы другим производителям (например, Nissan Micra 1992 ).

1996 Honda Civic (шестое поколение) представила CVT Multi Matic со шкивом, который включал гидротрансформатор, для низкоскоростного «проскальзывания»).

В последующие годы использование вариаторов распространилось на модели, включая Nissan Cube 1998 , 1999 Rover 25 и 1999 Audi A6. Маркетинговые термины для вариаторов включают «Lineartronic» (Subaru), «Xtronic» (Jatco, Nissan, Renault), INVECS-III (Mitsubishi), Multitronic (Volkswagen, Audi), » Автотроник »(Mercedes-Benz) и IVT (Hyundai, Kia).

В 1999 году Nissan Cedric (Y34) использовался тороидальный вариатор, в отличие от шкивов, используемых другими производителями, который продавался как Nissan Extroid и имел преобразователь крутящего момента. Затем Nissan перешел с тороидальных вариаторов на шкивные в 2003 году. Версия вариатора, используемая с двигателем V6 в Nissan Altima, как утверждается, способна передавать более высокие крутящие нагрузки, чем другие ременные вариаторы.

Toyota Corolla (E210) 2019 года выпуска доступна с вариатором, которому помогает физическая «пусковая шестерня» рядом со шкивом вариатора. До 40 км / ч (25 миль / ч) трансмиссия использует пусковую шестерню, чтобы увеличить ускорение и уменьшить нагрузку на вариатор. При превышении этой скорости трансмиссия переключается на шкив вариатора.

Некоторые гибридные электромобили, такие как Toyota Prius, Nissan Altima и Ford Escape Hybrid, используют электрические трансмиссии с регулируемой передачей (EVT) для управления вкладом мощности от электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания. Несмотря на похожее название, это принципиально разные устройства от вариаторов (которые питаются от одного источника).

Гоночные автомобили

В Соединенных Штатах гоночные автомобили Formula 500 с открытым колесом использовали вариаторы с начала 1970-х годов. CVT были запрещены в Формуле-1 в 1994 году (вместе с несколькими другими электронными системами и вспомогательными средствами водителя) из-за опасений по поводу роста затрат на исследования и разработки и поддержания определенного уровня участия водителя в работе транспортных средств.

Малогабаритные автомобили

Многие небольшие транспортные средства, такие как снегоходы, тележки для гольфа и мотороллеры, используют вариаторы, обычно с резиновым ремнем. или с переменным шкивом. В вариаторах этих транспортных средств часто используется конструкция резинового ремня с нерастягивающейся фиксированной окружностью, изготовленная из различных высокопрочных и гибких материалов из-за механической простоты и простоты использования, которые перевешивают их сравнительную неэффективность. Некоторые мотороллеры оснащены центробежным сцеплением для помощи при работе на холостом ходу или ручном реверсе скутера.

Мотоцикл для бездорожья 1974 Rokon RT340 TCR Automatic был оснащен снегоход вариатор. Первым квадроциклом, оснащенным вариатором, стал Polaris Industries Trail Boss в 1985 году.

Сельскохозяйственная и землеройная техника

Зерноуборочные комбайны использовали регулируемые ременные приводы еще в 1950-х годах. Многие малые тракторы и самоходные косилки для дома и сада используют простые вариаторы с резиновым ремнем. Гидростатические вариаторы чаще встречаются на более крупных агрегатах. При кошении или уборке урожая вариатор позволяет регулировать скорость движения оборудования независимо от частоты вращения двигателя; это позволяет оператору замедляться или ускоряться по мере необходимости, чтобы приспособиться к изменениям толщины культуры.

Сельскохозяйственная и землеройная техника малого и среднего размера часто использует гидростатические вариаторы. Поскольку двигатели в этих машинах обычно работают с постоянной выходной мощностью (для обеспечения гидравлической энергии или для питания механизмов), потери в механическом КПД компенсируются повышенным КПД. Например, в землеройном оборудовании сокращается время перемещения вперед-назад. Скорость и выходная мощность вариатора используются для управления скоростью движения оборудования, а иногда и для управления оборудованием. В последнем случае необходимая разность скоростей для управления оборудованием может быть обеспечена независимыми вариаторами, что позволяет выполнять рулевое управление без ряда недостатков, связанных с другими методами управления с бортовым поворотом (таких как потери при торможении или потеря тягового усилия).

Садовые тракторы Wheel Horse 875 и 1075 1965 года выпуска были первыми транспортными средствами, оснащенными гидростатическим вариатором. В конструкции использовались насос переменного рабочего объема с наклонной шайбой и шестеренчатый гидромотор фиксированного рабочего объема, объединенные в единый компактный корпус. Обратные соотношения были достигнуты за счет изменения направления потока насоса за счет чрезмерного центрирования наклонной шайбы. Ускорение было ограничено и сглажено за счет использования гидроаккумулятора и предохранительных клапанов, расположенных между насосом и двигателем, чтобы предотвратить резкие изменения скорости, возможные при использовании прямой гидравлической муфты. Последующие версии включали двигатели с фиксированной наклонной шайбой и шаровые насосы.

Fendt Vario 926 1996 года был первым в истории трактором большой грузоподъемности, оснащенным гидростатическим вариатором. С этой трансмиссией было произведено более 100000 тракторов.

Энергетические системы

Бесступенчатые трансмиссии используются в самолетах электроэнергетических системах с 1950-х годов.

CVT с маховиками используются в качестве регулятора скорости между двигателем (например, ветряной турбиной) и электрическим генератором. Когда двигатель вырабатывает достаточную мощность, генератор подключается непосредственно к вариатору, который служит для регулирования скорости двигателя. Когда выходная мощность слишком мала, генератор отключается, и энергия накапливается в маховике. Только когда скорость маховика достаточна, кинетическая энергия преобразуется в электричество, периодически, со скоростью, необходимой для генератора.

Другое применение

Некоторые сверлильные станки и фрезерные станки содержат простую систему CVT с ременным приводом для управления скоростью патрона. В этой системе эффективный диаметр шкивов выходного вала регулируется благодаря их конической форме. Шкив на двигателе обычно имеет фиксированный диаметр (или иногда с небольшими ступенями для выбора диапазона скоростей). Оператор регулирует скорость сверла с помощью маховика, который регулирует ширину зазора между половинами шкива. В ременной передаче используется натяжной ролик, который компенсирует провисание ремня или снимает его при изменении скорости.

Лебедки и подъемники также являются применением вариаторов, особенно для тех, которые адаптируют передаточное число к крутящему моменту сопротивления.

Велосипеды с трансмиссией CVT имели ограниченный коммерческий успех, и в одном примере представлен диапазон переключения, эквивалентный восьмиступенчатому переключателю. Короткая передача велосипеда помогает при езде в гору, однако было отмечено, что вариатор значительно увеличивает вес велосипеда.

См. Также

Литература

Последняя правка сделана 2021-05-15 11:00:00
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте