Не помню уже сколько лет прошло, но однажды меня посетила мысль: «а можно ли создать идеальную вещь?». Идеальную, это значит, что у неё будут одни преимущества и не будет не одного недостатка, свойственного всем аналогичным вещам. Вариатор выбрал по причине того, что он лучше любой ступенчатой коробки, но имеет существенный недостаток, сильно ограничена величина передаваемого крутящего момента.
Прежде чем решать задачу, необходимо наглядно представить какими свойствами он должен обладать, и я их сформулировал следующим образом.
- Вариатор должен передавать любой крутящий момент и, следовательно, передачу крутящего момента должны осуществлять только шестерни.
- Не должно быть ни каких косых шестерёнок, только прямые, у них меньше всего потери на трение.
- не должно быть никаких частей, движущихся «туда - сюда», соответственно не должно быть ни каких механических переключений, и как следствие все шестерни, всегда, должны быть в зацеплении.
- Вариатор должен иметь аналог нейтральной передачи, то есть, не передавать никакого крутящего момента.
- Вариатор должен иметь заднюю передачу.
Итак, если вы продолжаете ещё читать, то скорее всего, вы технически грамотный человек, и вот вы прочитали требования к идеальному вариатору и первая мысль: «такое невозможно». На этом примере я хочу показать, что нерешаемые задачи иногда всё же решаются, их просто не надо боятся. Ещё есть хорошая шутка – задачи решают те, кто не знал, что они не имеют решения.
Эту задачу я решал следующим образом. Если бы такая задача решалась бы при обычных подходах, она бы давно была бы решена, следовательно, в конструкции всех вариаторов есть нечто общее, что не позволяет добиться идеального решения. В конструкции всех вариаторов, да и всех ступенчатых коробок, есть один общий момент, у них у всех есть только один путь передачи крутящего момента. Место передачи может меняться, но путь всегда один. В коробке не может быть включено сразу две передачи, вариаторы, те вообще по конструкции имеют всегда один ролик, цепь или ремень. Значит, нам следует искать решение в конструкции способной передавать крутящий момент разными путями.
Самое первое, что приходит в голову - это обычный дифференциал. Он распределяет крутящий момент по двум полуосям или по приводам у переднеприводных машин. Возможность, для крутящего момента, предаваться не по одному пути приводит к тому, что машины буксуют, кода одно из колёс имеет низкий коэффициент сцепления с дорогой. То есть, крутящий момент, как и электрический ток, всегда уходит туда, где меньше сопротивление. Следовательно, если мы будем менять нагрузку на одном из путей передачи крутящего момента, на втором пути будет меняться скорость вращения, или, что тоже самое, передаточное число. Нагружать одну полуось можно не только фрикционным механизмом, но и генератором, а ток с него, тут же отдавать на электродвигатель, вращающий вторую полуось. В итоге, крутящий момент будет передаваться частично механическим методом, частично электрическим. При этом передаточное число будет зависеть от нагрузки на машину и того, какое сопротивление мы установим в цепи между генератором и электродвигателем.
Недостатком дифференциала является разнонаправленность приёма и передачи крутящего момента, что требует специфического и сложного изготовления шестерней. Наличие у таких шестерней большей поверхности трения уменьшает общий КПД всего механизма. Поэтому более изящное решение видится на основе планетарного механизма. Этот вид механизмов повсеместно применяется в редукторах и для того, чтобы получить вариатор нам достаточно убрать внешнюю неподвижную шестерню. В этом случае нам потребуется для изменения передаточного числа нагружать планетарные шестерни, но так как это довольно проблематично, то следует за водилом, на его валу добавить свободно вращающуюся шестерню, которую будут вращать добавочные планетарные шестерни, установленные на тех же осях. Вот её уже можно использовать как привод генератора и теперь рассмотрим нижеприведённый рисунок.
1. Вал с которого приходит крутящий момент.
2. Солнечная шестерня.
3. Водило.
4. Планетарные шестерни.
5. Добавочные планетарные шестерни.
6. Вал водила.
7. Шестерня генератора.
8. Якорь генератора.
9. Статор генератора.
10. Электродвигатель.
Если полностью отключить электродвигатель от генератора, то крутящий момент полностью уйдёт на вращение планетарных шестерней и якоря неработающего генератора, что соответствует нейтральной передаче. По мере уменьшения сопротивления в цепи между генератором и электродвигателем, генератор начнёт оказывать сопротивление вращению планетарных шестерней в своих осях, и солнечная шестерня начнёт вращать водило. Ток, снимаемый с генератора, через электродвигатель также будет способствовать вращению водила.
Когда нагрузка генератора прекратит вращение планетарных шестерней в своих осях, мы получим прямую передачу. Обратное вращение мы получим при полностью отключенном генераторе и когда на электродвигатель подадим обратный ток, соответственно электродвигатель должен быть реверсивным. При этом понятно, что задний ход будет чисто электрическим, но, по крайней мере, механика не будет препятствовать этому без всяких механических переключений, просто планетарным шестерням придётся вращаться немного быстрее.
В такой системе не будет прямой зависимости между нагрузкой генератора и передаточным числом. Передаточное число ещё будет зависеть от нагрузки создаваемой конечным потребителем, обычно это колёса автомобиля. Например, при одних и тех же оборотах двигателя и неизменной нагрузке генератора, если машина с горизонтальной дороги пойдёт в гору, то такой вариатор тут же сам начнёт менять передаточное число в сторону увеличения. Это значит, что такая система передаточное число всегда автоматически устанавливает таким, чтобы нагрузки с обеих сторон были одинаковыми, почему такая система и называется системой равновесных оборотов. При этом нагрузкой на автомобиль, через такой вариатор двигатель не заглушишь, он может работать с передаточными числами как у часового механизма и, соответственно, будет создавать тягу подобно лебёдке. Так будет происходить потому, что при нагрузках, превышающих сопротивление генератора планетарные шестерни начнут проворачиваться и скорость вращения водила начнёт уменьшаться.
Сочетание механической и электрической частей в одном агрегате даёт много полезных возможностей. Сейчас инженерная мысль пытается совместить обычный двигатель с электродвигателем, что порождает массу проблем и сильно усложняет общую конструкцию двигателя. Рассмотренный здесь вариатор позволяет не мудрить понапрасну с двигателем и перенести электротягу в область трансмиссии. Наличие в вариаторе своего генератора позволяет использовать его как тормоз. Для этого достаточно переключить его с электродвигателя на аккумулятор. В этом случае генератор создаст максимальное сопротивление вращению планетарных шестерней и низкие обороты двигателя через водило начнут тормозить колёса. На больших скоростях торможение двигателем более безопасно, да и аккумулятор заодно подзарядится.
В заключении мне остаётся только сказать, кто может сделать - сделайте, идея перед вами.